DE102021206572A1

DE102021206572A1 - Hochvoltbatteriesystem

Info

Publication number: DE102021206572A1
Application number: DE102021206572.4A
Authority: DE
Inventors: Kartik Jamadar; Christian Theuerkauf
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2021-06-24
Filing date: 2021-06-24
Publication date: 2022-12-29

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Hochvoltbatteriesystem, mit einer Mehrzahl von Lithium-Ionen-Batteriezellen (11), in deren Zellgehäuse sich Aktivmaterial sowie ein flüssiger Elektrolyt (15) befindet. Erfindungsgemäß weist das Hochvoltbatteriesystem einen Elektrolyt-Kreislauf auf, in den die Batteriezellen (11) strömungstechnisch eingebunden sind, so dass mittels einer Zulaufpumpe (37) und/oder einer Ablaufpumpe (43) eine Elektrolyt-Strömung durch die jeweilige Batteriezelle (11) ermöglicht ist, und zwar insbesondere für einen Umwälzvorgang, in dem der Elektrolyt (15) in der Batteriezelle (11) umwälzbar ist, oder für einen Füllvorgang, in dem ein Neu-Elektrolyt (15) in die jeweilige Batteriezelle (11) einspeisbar ist, oder für einen Entleervorgang, in dem Alt-Elektrolyt (15) aus der jeweiligen Batteriezelle (11) entfernbar ist.

Description

Hochvoltbatteriesystem mit einer Mehrzahl von Lithium-Ionen-Batteriezellen nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Ein solches Hochvoltbatteriesystem weist elektrisch miteinander verschaltete Batteriemodule auf. In jedem Batteriemodul ist ein Zellstapel aus elektrisch miteinander verschalteten Lithiumlonen-Batterie-Zellen angeordnet. In den Zellgehäusen der Batteriezellen eines gattungsgemäßen Hochvoltbatteriesystems befinden sich jeweils Aktivmaterial, bestehend aus übereinander geschichteten Lagen aus einer Kathode, einer Anode sowie einem Separator, und ein flüssiger Elektrolyt. Der Elektrolyt gewährleistet den Ionen-Transport zwischen den Elektroden des Aktivmaterials.
Bei Pouch-Batteriezellen ist das Zellgehäuse mittels Siegelnähten komplett gasdicht geschlossen. Vor diesem Hintergrund ergeben sich die folgenden Nachteile: So kann ein interner Gasdruck, der sich zum Beispiel aufgrund von Temperaturanstieg in dem Zellgehäuse ergibt, nicht entlastet werden. Zudem sind die in einem Batteriemodul gestapelten Pouch-Batteriezellen meist nur über ihre schmalen Ober- und/oder Unterseiten an Kühl-/Heizflächen thermisch angekoppelt. Vor diesem Hintergrund ist eine erzielbare Heiz- oder Kühlleistung nicht optimal.
Aus der US 2016/0133914 A1 ist ein Batteriesystem mit einem Gas-Entladeelement und einem Elektrolyt-Injektionselement bekannt. Aus der US 2020/0052267 A1 ist ein weiteres Batteriesystem bekannt. Aus der US 2019/355960 A1 ist eine Batteriezelle bekannt, in der ein Elektrolyt nachfüllbar ist.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Hochvoltbatteriesystem bereitzustellen, das im Vergleich zum Stand der Technik eine verbesserte Wärmeabfuhr aus der Batteriezelle ermöglicht. Zudem soll bei einem Zelldefekt ein thermisches Durchgehen der jeweiligen Batteriezelle verzögert werden und eine gesteigerte Batteriezellen-Sicherheit bereitgestellt werden.
Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen offenbart.
Die Erfindung geht von einem Hochvoltbatteriesystem aus, das eine Mehrzahl von Lithiumlonen-Batteriezellen aufweist, In deren Zellgehäuse befindet sich jeweils Aktivmaterial sowie ein flüssiger Elektrolyt. Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 ist das Hochvoltbatteriesystem mit einem Elektrolyt-Kreislauf ausgestattet, in dem die Batteriezellen strömungstechnisch eingebunden sind. Mit Hilfe einer Zulaufpumpe und/oder einer Ablaufpumpe wird eine Elektrolyt-Strömung durch die jeweilige Batteriezelle ermöglicht. Je nach Ansteuerung der Zulaufpumpe und/oder Ablaufpumpe ist ein Umwälzvorgang ermöglicht, in dem der Elektrolyt in der Batteriezelle umwälzbar ist. Alternativ ist ein Füllvorgang ermöglicht, in dem ein Neu-Elektrolyt in die jeweilige Batteriezelle einspeisbar ist. Zudem kann ein Entleervorgang durchgeführt werden, in dem Alt-Elektrolyt aus der jeweiligen Batteriezelle entfernbar ist.
Die erfindungsgemäße Pouch-Batteriezelle ist nicht mehr gasdicht geschlossen, sondern offen gestaltet, das heißt nicht gasdicht geschlossen. Die Pouch-Zelle kann von allen Seiten gasdicht sein, mit Ausnahme von zwei Stellen, an denen Ventile für den Einlass und den Auslass von Elektrolyt und erzeugtem Gas angebracht sind. Auf diese Weise kann der Elektrolyt ständig in die Pouch-Zelle hineinfließen und aus ihr herausfließen, je nach Temperatur- und/oder Druckeinstellung des Ventils. Darüber hinaus besteht kein Bedarf an Kühlplatten und einer Wärmeleit-Emulsion zur Kühlung der Batterie.
Zudem kann ein Elektrolyt-Reservoir bereitgestellt sein. Der Elektrolyt im Elektrolyt-Reservoir weist die gleiche Zusammensetzung auf wie der in der Zelle vorhandene Elektrolyt. Das Elektrolyt-Reservoir wird durch ein Thermoelement (Peltier-Element) gekühlt oder geheizt. Steigt die Temperatur der Zelle, so fließt neuer kühler Elektrolyt in die Zelle, während heißer Elektrolyt aus der Zelle in das Elektrolyt-Reservoir abgepumpt wird. Der gesamte Elektrolyt-Kreislauf ist leckagefrei, so dass kein Elektrolyt nach außen dringen kann. Zusammen mit dem Elektrolyt wird auch das Gas, das aus dem erhitzten Elektrolyt oder aus der SEI-Entwicklung entsteht, zum Tank (das heißt Elektrolyt-Reservoir) transportiert. Im Tank wird das im Elektrolyt eingeschlossene Gas entfernt. Auf diese Weise ist der Elektrolytstromkreis frei von Gas.
Beispielsweise sind die nachfolgenden fünf verschiedene Anordnungen reaslisierbar, die einen kontrollierten Zu- und Abfluss von Elektrolyt ermöglichen. Diese werden nachfolgend im Detail erklärt: So kann jedes Modul mit einem Wegeventil verbunden sein. Dieses steuert den Durchfluss des Elektrolyts innerhalb und außerhalb der Zelle des jeweiligen Moduls. Hier kann die einzelne Zelle kein Rückschlagventil aufweisen, sondern anstelle dessen lediglich Durchlässe (zum Beispiel zwei zylindrische Kunststoffeinsätze). Dieses Prinzip kann insbesondere bei Modulen funktionieren. Selbst wenn eine Zelle im Modul erwärmt wird, wird der Elektrolyt aller Zellen nachgefüllt.
Beispielhaft kann jede Zelle Rückschlagventile aufweisen, die zusätzlich zum Wegeventil an jedem Modul angebracht sind. Das Wegeventil leitet den Elektrolyt in das betroffene Modul. Hier wird aber nur die Zelle mit neuem Elektrolyt befüllt, deren Innendruck gestiegen ist. Diese Lösung funktioniert für jede Zelle.
Alternativ kann im Modul kein Wegeventil verbaut sein. In diesem Fall kann jede Zelle zwei Rückschlagventile aufweisen. Ein Einlass-Rückschlagventil lässt den Elektrolyt in die Zelle fließen. Ein Auslass-Rückschlagventil lässt Elektrolyt und eingeschlossenes Gas aus die Zelle fließen. Die Druckeinstellungen des Rückschlagventils steuern den Elektrolytfluss. Einlass- und Auslasspumpe halten den Druck immer konstant. Diese Option arbeitet auf Basis der Druckdifferenz. Wenn der Druck in der Zelle im Vergleich zum eingestellten Druck des Rückschlagventils steigt, findet ein Elektrolytaustausch statt.
In einer weiteren Ausführungsvariante können in der Zelle keine Rückschlagventile vorhanden sein. Die Zulauf- und Ablaufpumpen können direkt mit jeder Zelle verbunden sein. Die Pumpe können auf der Grundlage von Temperatursensorwerten arbeiten. Wenn die Temperatur ansteigt, lassen die Pumpen den Elektrolyt innerhalb und außerhalb der Zelle zirkulieren. Diese Option arbeitet auf Zellebene basierend auf einer Temperaturdifferenz. Der Elektrolyt der gesamten Zelle wird umgewälzt. Diese Option ist sinnvoll, wenn bei einem plötzlichen Temperaturanstieg der Elektrolyt aus allen Zellen entleert werden muss.
In einer zusätzlichen Alternative können zwei Rückschlagventile an jeder Zelle angebracht werden. Die Pumpe leitet die Flüssigkeit je nach Temperaturunterschied zu jeder Zelle. Das Rückschlagventil an jeder Zelle öffnet sich nur, wenn der Druck in der Zelle höher als erforderlich ist. Daher werden nur Zellen, deren Temperatur gestiegen ist und deren Innendruck sich erhöht hat, mit Elektrolyt versorgt. Diese Option funktioniert sowohl bei Temperatur- als auch bei Druckdifferenz.
Jedes Rückschlagventil kann durch ein Signal vom Temperatursensor vorgesteuert werden. Ein Pilotsignal öffnet und schließt das Rückschlagventil, so dass der Elektrolyt in Abhängigkeit von der Temperatur zu den einzelnen Zellen fließen kann.
Am Tank können die beiden Pumpen angebracht sein. Die Zulaufpumpe führt den Elektrolyt der Zelle zu. Die Ablaufpumpe saugt den Elektrolyt aus der Zelle und transportiert ihn in den Tank.
Sobald das Batteriemanagementsystem ein mögliches thermisches Durchgehen (Thermal Runaway) erkennt, wird die Zulaufpumpe, die der Zelle Elektrolyt zuführt, deaktiviert. Die Ablaufpumpe, die den Elektrolyt aus der Zelle in den Tank pumpt, läuft mit hoher Durchflussrate. Dadurch kann der gesamte Elektrolyt aus den Zellen entfernt werden und der Tank gefüllt werden. Das Batteriemanagementsystem schaltet außerdem die leeren Zellen/Module für den weiteren Betrieb ab.
Normalerweise wird der Elektrolyttransfer bevorzugt durchgeführt, wenn die Zellen keinen Strom liefern. Das Batteriemanagementsystem schaltet einzelne Zellen oder Module vorübergehend ab und ermöglicht den Elektrolytfluss durch diese Zellen zur Kühlung. Das Batteriemanagementsystem spielt neben dem Zellausgleich auch eine wichtige Rolle bei der sequentiellen Elektrolytnachfüllung.
Der Elektrolyttank ist eine zusätzliche Komponente. Er enthält einen Elektrolyt-Vorrat. Der Elektrolyttank kann aus kohlefaserverstärktem Kunststoff bestehen und ist somit sicher vor Beschädigungen bei einem Fahrzeug-Crash. Der Elektrolyttank kann in einer Elektrolyt-Aufbereitungsanlage eingebunden sein. Diese kann verschiedene Module zur Filtration, Entgasung und Beheizung/Kühlung des Tanks aufweisen.
Das Nachfüllen des Elektrolyts in der Zelle/dem Modul kann erfolgen, wenn sie/es von der Stromversorgung getrennt ist. Diese vorübergehende Trennung der Zelle/des Moduls von der Stromversorgung zum Zweck der Kühlung wird vom Batteriemanagementsystem durchgeführt. Es wird nicht empfohlen, eine Kühlung durchzuführen, wenn die Zellen Strom abgeben. Während des Betriebs der Zelle/des Moduls bewegen sich die Lithium-Ionen im Elektrolyten. Wenn der Elektrolyt während des Betriebs gewechselt wird, werden auch diese Ionen aus dem Elektrolyt entfernt.
Gemäß einer ersten Option können jeder Zelle zwei fest eingestellte Rückschlagventile zugeordnet sein. In diesem Fall kann jede Zelle mit zwei Rückschlagventilen ausgestattet sein.
Die Rückschlagventile können einen Durchmesser von etwa 2-3 mm und eine Länge von 4-5 mm aufweisen. Deren Gehäuse kann aus rostfreiem Stahl gefertigt sein und in einem Kunststoffgehäuse befestigt sein. Das Kunststoffgehäuse besteht aus Acryl oder Polycarbonat, so dass es chemisch inert gegen hydraulische Flusssäure ist. Normalerweise sollte das Kunststoffgehäuse erwärmt werden und dann das Rückschlagventil in das Kunststoffgehäuse eingepresst werden. Das Einlass-Rückschlagventil ermöglicht den Durchfluss von Elektrolyt in die Zelle, aber nicht den Durchfluss von Elektrolyt aus der Zelle. Das Auslass-Rückschlagventil lässt Elektrolyt und Gas von innerhalb der Zelle nach außerhalb der Zelle fließen. Es lässt weder Elektrolyt noch Luft ins Innere fließen.
Das Auslass-Rückschlagventil ist für den kontrollierten Durchfluss von Elektrolyt und Gas innerhalb der Zelle nach außen gedacht. Hier wird der Druck des Rückschlagventils durch Federn auf etwa 1,2 bar eingestellt. Nur wenn der Druck in der Zelle diesen Druck von 1,2 bar übersteigt, öffnet sich das Auslass-Rückschlagventil und Elektrolyt sowie Gas werden von der Ablaufpumpe in den Tank gepumpt. Da der Elektrolyt mit dem Gas ausströmt, kommt es zu einem weiteren Druckabfall. Das Auslass-Rückschlagventil schließt, sobald der Druck unter 1,2 bar fällt. Sobald die Ablaufpumpe startet, startet auch die Zulaufpumpe zur gleichen Zeit. Diese pumpt neues Elektrolyt in die Zelle. Das Einlass-Rückschlagventil ist ebenfalls auf 1,2 bar absolut eingestellt. Die Zulaufpumpe speist neuen Elektrolyt ein, bis der Druck in der Zelle wieder 1,2 bar erreicht hat. Die Masse des Zuflusses (des Elektrolyten) und des Abflusses (des Elektrolyten und des Gases) wird gleich gehalten. Zu- und Abfluss werden fortgesetzt, bis ein Druck von 1,2 bar in der Zelle erreicht ist. Sobald der Druck erreicht ist, werden beide Rückschlagventile automatisch geschlossen. Der gesamte Elektrolyt-Kreislauf hat einen Druck von 1,2 bar. Sobald der Druck in der Zelle durch die Temperatur oder den Innendruck ansteigt, fließen der heiße Elektrolyt und das heiße Gas aus der Zelle in den Tank und der neue kalte Elektrolyt fließt sofort in die Zelle. Auf diese Weise erzeugt der Druckunterschied eine sehr schnelle Abkühlung der Zelle. Da die Temperatur der Zelle auf einen Überdruck (zum Beispiel 1,2 bar) gehalten wird, kann Luft von außen nicht in die Zelle eindringen. Normalerweise können Pouch-Zellen einem Innendruck von bis zu 6-8 bar standhalten. Daher liegt der zulässige Innendruck in der Zelle weit unter einem kritischen Pouch-Zellen-Druck, bei dem eine Zerstörung der Pouch-Zelle eintritt. Da die Kühlung druckabhängig ist, können einzelne Zellen im Modul mit neuem Elektrolyt gefüllt werden. Nur die Zellen, die einen Druckanstieg aufweisen, erfahren einen Zu- und Abfluss von Elektrolyt. Die obere Platte (das heißt die Modul-Deckwand) des Moduls hat Nuten bzw, Kanäle für den Durchfluss von Elektrolyt. Die Nuten haben Gewindeanschlüsse, die in die Rückschlagventile passen. Die Gewindeanschlüsse sorgen für eine leckagefreie Befestigung des Rückschlagventils mit der oberen Platte des Moduls. Die obere Platte ist durch flexible Kunststoffschläuche mit den Pumpen verbunden. Die Kunststoffschläuche sind wiederum über Gewindeanschlüsse mit der oberen Platte verbunden. Ein Gewindeanschluss ist mit dem Kunststoffschlauch verbunden, der mit der Zulaufpumpe verbunden wird. Dadurch wird der Zufluss von Elektrolyt innerhalb der oberen Platte im Modul sichergestellt. Der andere Gewindeanschluss wird über einen Kunststoffschlauch mit der Ablaufpumpe verbunden. Hier werden Elektrolyt und Gas aus der Zelle in den Tank geleitet. Der Tank kann Bestandteil einer Elektrolyt-Aufbereitungsanlage mit seinen vielen Funktionen (Filtration, Entgasung, Heizung und Kühlung) sein, die später erklärt werden. Der Gewindeanschluss gewährleistet eine leckagefreie Verbindung des Kunststoffrohrs mit der oberen Platte im Modul. Das Modul hat keine Kühlplatte wie bei herkömmlichen Modulen. Kompressionspads werden zwischen den Zellen platziert, um eine thermische und elektrische Isolierung zu gewährleisten und um einen gleichmäßigen Druck während der Ausdehnung und Kontraktion der Zelle während des Wechsels und der Entladung zu gewährleisten. Sie bestehen aus Polyurethan oder Silikonmaterial und haben eine hohe Kompressibilität. Es gibt keinen Temperatursensor in der Zelle, da die Temperatur indirekt durch die Druckdifferenz in der Zelle geregelt wird. Die feste Druckeinstellung im Rückschlagventil reagiert auf jede kleine Änderung des Drucks in der Zelle. Mittels der Pumpen wird stets ein konstanter Druck im System aufrechterhalten. Zwischen der Ablaufpumpe und dem Tank befindet sich ebenfalls ein Rückschlagventil C1. Es ist ebenfalls auf 1,2 bar Druck eingestellt. Ebenso befindet sich zwischen der Zulaufpumpe und dem Tank ein Rückschlagventil C4. Dieses ist ebenfalls auf 1,2 bar Druck eingestellt. Das Rückschlagventil C1 lässt Elektrolyt und Gas zum Tank fließen. Über das Rückschlagventil C4 kann Elektrolyt aus dem Tank gepumpt werden. Der Druck 1,2 bar kann auch auf einen beliebigen anderen Überdruck eingestellt werden. Er sollte mehr als 1 bar betragen. Hier wird zum Beispiel 1,2 bar vorgeschlagen. Es wird vorgeschlagen, den Druck im Bereich von 1,1 bis 1,3 bar zu halten. Beide Pumpen starten und stoppen zur gleichen Zeit.
Nachfolgend wird die Elektrolyt-Aufbereitungsanlage beschrieben, die aus dem Tank, einer Entgasung, einer Heizung, einer Kühlung und einer Filtration besteht. Da der Elektrolyt durch die Ablaufpumpe von der Zelle zum Tank fließt, führt er Gas und einige Feststoffpartikel mit sich (die während der SEI oder während der Delaminierung des aktiven Materials von Kathode und Anode entstanden sind). Der Elektrolyt kann auch eine hohe Temperatur von ca. 60°C (abhängig von der Temperatur der Zelle) aufweisen. Außerdem muss der Elektrolyt in kaltem Klima, wenn die Temperatur weniger als -10°C beträgt, erwärmt werden. Daher ist es wichtig, dass der Elektrolyt gefiltert, entgast und gekühlt wird, um ihn dann der Zelle zuzuführen (um die Zellentemperatur zu senken) oder dass er erwärmt und dann der Zelle zugeführt wird (damit die Zelle bei kalten Temperaturen unter -10°C optimal arbeitet, ohne dass die Gefahr einer Lithiumplattierung besteht). Alle diese vier Funktionen werden durch die Elektrolyt-Aufbereitungsanlage erfüllt. Der Elektrolyt wird zuerst durch die Filterelemente geleitet, wo die festen Partikel vom Elektrolyt getrennt werden. Der Filter sollte eine Porosität im Bereich von 10 Mikrometer haben und kann aus synthetischem Kunststoff, Polyester oder flüssigkeitsdurchlässigem Papier hergestellt werden. Der Filter hat die Form einer Patrone, was eine einfache Reinigung oder den Austausch des Filters ermöglicht, wenn er verstopft ist. Der Filter ist an die Ablaufpumpe angeschlossen, die den Elektrolyt in den Tank fördert. Dies hat den Vorteil, dass der Elektrolytstrom praktisch drucklos ist und somit kein Druckabfall am Filter entsteht. Zwischen Ablaufpumpe und der Filtrationskammer befindet sich das Rückschlagventil C1. Dieses öffnet bei einem Druck von 1,2 bar. Das bedeutet, dass die gesamte Abflussleitung mit einem Druck von 1,2 bar beaufschlagt wird. Die Ablaufpumpe erzeugt einen Druck von mehr als 1,2 bar, wodurch das Rückschlagventil C1 geöffnet wird und der Elektrolyt in die Filtrationskammer fließen kann. Nachdem der Elektrolyt durch den Filter gelaufen ist, ist er frei von festen Ablagerungen, hat aber noch Gas eingeschlossen. Dieses Gas sollte entfernt werden. Hier wird die Entgasung in zwei Schritten durchgeführt. Im ersten Schritt gelangt der Elektrolyt nach der Filtration in eine Ultraschallkammer, in der Ultraschallwellen erzeugt werden. Die Ultraschallwellen erzeugen Kavitation im Elektrolyt und lassen Gasblasen entstehen. Die im Elektrolyt eingeschlossenen Gase werden mit dieser Gasblase aus dem Elektrolyt herausgezogen. Die Gasblase bewegt sich nach oben und entgast den Elektrolyten.
Sobald das Gas den oberen Teil der Ultraschallkammer erreicht hat, wird es durch die Gas-Flüssigkeits-Trennmembran geleitet. Diese Membran besteht aus PTFE oder Silizium mit einem Porendurchmesser im Bereich von 1 Mikrometer. Das Gas strömt durch diese Membran (Gas-Flüssigkeits-Trennmembran) und wird oben in der Ultraschallkammer gesammelt. Der entgaste Elektrolyt verbleibt in der Ultraschallkammer. Dieser fließt dann in das Elektrolyt-Reservoir. Zwischen der Ultraschallkammer und dem Elektrolyt-Reservoir befindet sich wiederum ein Rückschlagventil C3. Dieses verhindert, dass entgaster und gefilterter Elektrolyt zurück in die Ultraschallkammer fließt. Das über der Gas-Flüssigkeits-Trennmembran gesammelte Gas wird vom Vakuumkompressor abgesaugt und in einer luftdichten Kammer gesammelt. Dieses Gehäuse kann periodisch gewechselt oder ersetzt werden, wenn es gefüllt ist. Zwischen Vakuumpumpe und Gassammelkammer befindet sich ein Rückschlagventil C2. Dieses Rückschlagventil C2 verhindert das Eindringen von Gas in die Vakuumpumpe. Entgaster Elektrolyt wird in dem Elektrolyt-Reservoir gesammelt, der einen Stickstoffdruck von 1,1 bar aufweist. Auf diese Weise kann keine Luft in den Tank gelangen. Der Stickstoffdruck wird durch einen kleinen Stickstofftank aufgebaut. Zwischen Stickstofftank und Elektrolyttank befindet sich ein Druckreduzierventil. Dieses Ventil reduziert den Stickstoffdruck auf 1,1 bar. Dieser 1,1 bar Stickstoffdruck verbleibt im Tank. Dieser gereinigte Elektrolyt wird von Zulaufpumpe gepumpt und zu jeder Zelle transportiert. Ein Rückschlagventil zwischen Zulaufpumpe und Tank sorgt dafür, dass die gesamte Zuleitung von Zulaufpumpe zur Zelle auf 1,2 bar gehalten wird. Stickstoffgas ist optional. Wenn die Verbindungen gasdicht sind, kann keine Luft in den Tank eindringen. In diesem Fall ist Stickstoffgas möglicherweise nicht erforderlich. Die Erwärmung des Elektrolyten erfolgt durch ein Thermoelement. Das Thermoelement heizt oder kühlt den Tank, je nachdem in welche Richtung der Strom fließt. Der Strom zum Heizen und Kühlen wird von zwei Hochvoltbatterien bezogen. Basierend auf dem Stromfluss wird die Oberfläche des Tanks erwärmt oder gekühlt. Normalerweise werden Thermoelemente aus Peltier-Elementen hergestellt. Normalerweise sind Peltier-Elemente P-N-Halbleiter. Sie haben den Vorteil einer präzisen Temperaturregelung durch den Stromfluss. Die Kühl- bzw. Heizleistung des Moduls ist direkt vom angelegten elektrischen Strom abhängig und kann daher mit hoher Präzision geregelt werden. Eine einfache Umschaltung zwischen Kühl- und Heizfunktion ist ebenfalls möglich. Die Umkehrung des Stromflusses erzeugt eine Änderung der Kühl- oder Heizfunktion. Peltier-Elemente, hier auch Thermoelement genannt, halten die Temperatur des Elektrolyten im optimalen Bereich von 20-40°C. Peltier-Elemente können den Tank (und damit den Elektrolyten) sehr schnell auf Basis des Stromflusses aufheizen und abkühlen. Der Stromfluss wird von einer Steuereinheit geregelt, die von einem im Tank platzierten Temperatursensor Input erhält.
In einer zweiten Option erfolgt die Elektrolytzufuhr zu jeder Zelle im Modul über ein Wegeventil, wobei der Verbau von Rückschlagventilen an jeder Zelle optional ist. Hier werden in jedem Modul vier Temperatursensoren platziert. Dadurch wird ein Temperaturanstieg im Modul erkannt. Die Informationen des Temperatursensors werden an die Steuerung weitergeleitet. Dieser vergleicht den eingestellten Temperaturwert mit dem Istwert. Wenn die Differenz größer als zulässig ist, wird das Differenzsignal verstärkt und das Wegeventil wird von der offenen in die geschlossene Position gefahren. Die Zulaufpumpe lässt den Elektrolyt durch das Wegeventil in die Zelle fließen. In gleicher Weise werden Elektrolyt und Gas in der Zelle durch Ablaufpumpe gefördert. Der Elektrolytstromkreis steht immer unter Druck. Nur das Wegeventil kann den Durchfluss starten und stoppen. Sobald die Temperatur im Modul wieder normal ist, gibt es kein Signal mehr an das Wegeventil. Das Wegeventil wird durch den Federdruck in den offenen Zustand zurückkehren. Die Rückschlagventile an jeder Zelle sind optional. Zellen, deren Innendruck unverändert geblieben ist, werden nicht nachgefüllt. Nur die Zellen, deren Druck über den im Rückschlagventil eingestellten Druck hinaus angestiegen ist, werden mit neuem Elektrolyt befüllt. Durch die Verwendung des Wegeventils in Kombination mit dem Rückschlagventil ist es möglich, sowohl die Temperatur als auch den Druck innerhalb jeder Zelle auf dem gewünschten Niveau zu halten. Das bedeutet, dass nicht alle Zellen im Modul neuen Elektrolyt erhalten. Nur die Zellen, deren Innendruck über dem eingestellten Wert des Rückschlagventils liegt. Das heißt, die Elektrolytbefüllung erfolgt temperatur- und druckgesteuert. Es ist möglich, diese Option ohne Rückschlagventil an jeder Zelle zu haben. In diesem Fall werden alle Zellen des Moduls nur dann von der Zulaufpumpe mit neuem Elektrolyt gefüllt, wenn das Wegeventil geschlossen ist. Das Wegeventil wird von Temperatursensoren im Modul gesteuert. Jedes Modul hat ein eigenes Wegeventil. Sobald der Temperatursensor eine höhere als die gewünschte Temperatur erfasst, schaltet das Batteriemanagementsystem das betreffende Modul ab. Das Wegeventil wird in den geschlossenen Zustand versetzt. Die Pumpen werden gestartet. Die Zulaufpumpe füllt Elektrolyt ein. Die Ablaufpumpe saugt Elektrolyt ab. Der Elektrolyt wird nachgefüllt, bis die Temperatur wieder normal ist. Danach schaltet das Wegeventil wieder in die offene Position. Es fließt kein Elektrolyt mehr. Das Batteriemanagementsystem verbindet das Modul wieder mit dem Stromnetz. Das Batteriemanagementsystem ermöglicht das Nachfüllen der Zelle/des Moduls, wenn diese abgekoppelt sind.
In einer dritten Option kann zumindest ein Temperatursensor im Modul platziert werden. Dadurch wird ein Temperaturanstieg im Modul erkannt. Die Informationen der Temperatursensoren werden an die Steuerung weitergeleitet. Dieser vergleicht den eingestellten Temperaturwert mit dem tatsächlichen Wert. Wenn die Differenz größer als zulässig ist, wird das Differenzsignal verstärkt und es werden die Zulaufpumpe und Ablaufpumpe gestartet. Die Zulaufpumpe füllt neuen Elektrolyt aus dem Tank in jede einzelne Zelle eines jeden Moduls. Die Ablaufpumpe entnimmt Elektrolyt und führt ihn dem Tank zu. Das bedeutet, dass die Befüllung des Elektrolyts auf der Temperaturdifferenz basiert. Diese Option ist einsetzbar, wenn das Fahrzeug stillsteht und keine Zellen in Betrieb sind. Mit dieser Methode kann der Elektrolyt in jeder Zelle umgewälzt werden. Diese Option hält die Temperatur in allen Zellen eines jeden Moduls auf der gewünschten Temperatur. Es ist auch möglich, an jeder Zelle ein Rückschlagventil vorzusehen. In diesem Fall werden nur die Zellen, die einen Druck in der Zelle aufgebaut haben, durch die Zulaufpumpe mit neuem Elektrolyt versorgt. Ebenso entnimmt Ablaufpumpe nur aus den Zellen Elektrolyt, deren Innendruck höher ist als der gewünschte Druck in der Zelle. Das bedeutet, dass Elektrolyt nachgefüllt wird, wenn sowohl Temperatur- als auch Druckdifferenz vorhanden sind. Nur die Zellen, deren Temperatur- und Druckdifferenz über den eingestellten Werten liegt, erhalten neuen Elektrolyt. Die beiden Pumpen müssen gleichzeitig arbeiten. Mit dieser Option kann der Elektrolyt aus allen Zellen entfernt werden. Diese Option ist wünschenswert, wenn die lonenleitfähigkeit der Zelle stark reduziert ist. Hier kann neuer Elektrolyt mit optimaler lonenleitfähigkeit den alten Elektrolyt aus jeder Zelle ersetzen. Wie bereits erwähnt, kann man gegebenenfalls in jeder Zelle ein Rückschlagventil einbauen. Diese Option ist auch dann sinnvoll, wenn ein Modul / eine Zelle thermisch überlastet ist. Damit sich die thermische Strecke nicht ausbreitet, wird der Elektrolyt von der Ablaufpumpe schnell in den Tank abgegeben. In diesem Fall wird kein neuer Elektrolyt von der Zulaufpumpe eingefüllt. Da der Tank den gesamten Elektrolyt der Zelle aufnehmen muss, ist der Tank größer als bei früheren Versionen. Es ist wichtig zu beachten, dass bei normaler Kühlung sowohl die Zulaufpumpe als auch die Ablaufpumpe gleichzeitig arbeiten. Im Falle eines thermischen Durchgehens arbeitet nur die Ablaugpumpe. Wenn kein Rückschlagventil vorhanden ist, verbindet der Gewindeanschluss das Kunststoffventilgehäuse in der Pouch-Zelle mit den Nuten in der oberen Platte des Moduls. Die Verbindung sollte gasdicht sein.
In einer vierten Option erfolgt die Elektrolytzufuhr zu jeder Zelle durch ein pilotgesteuertes Rückschlagventil. Hier ist das Konzept ähnlich wie bei der ersten Option, mit der Ausnahme, dass beide Zellenventile in der Zelle durch ein Pilotsignal gesteuert werden. Jede Zelle hat einen Temperatursensor, dessen Signal der Steuereinheit zugeführt wird. Die Steuereinheit ermittelt die Temperaturabweichung und sendet ein Pilotsignal an das Rückschlagventil. Beide Rückschlagventile werden geöffnet und der Elektrolyt fließt durch die Zulaufpumpe in die Zelle und wird durch die Ablaufpumpe aus der Zelle gepumpt. Die Pumpen lassen den Elektrolyt zirkulieren, bis die Temperatur in der Zelle wieder im normalen Bereich liegt. Falls die Temperatur nicht innerhalb von zum Beispiel 4-5 Minuten den Normalwert erreicht, arbeitet nur die Ablaufpumpe und entfernt den gesamten Elektrolyt aus der Zelle. Die Zelle wird durch das Batteriemanagementsystem von der Versorgungsleitung getrennt. Der Hauptunterschied dieser Variante zu früheren Varianten ist, dass die früheren Varianten hauptsächlich druckgesteuert waren. Das Rückschlagventil öffnet und schließt sich aufgrund der Druckdifferenz. Hier kann das Rückschlagventil auch von außen geöffnet werden, basierend auf der Temperatur der Zelle. Dies gibt zusätzliche Sicherheit. Normalerweise führt ein Temperaturanstieg in der Zelle zur Gasbildung in der Zelle. Dies führt zu einem Druckanstieg in der Zelle. Das Rückschlagventil sollte sich bei diesem Druckanstieg normalerweise öffnen. Daher regelt die zuvor erläuterte druckgesteuerte Version indirekt auch die Temperatur. Es ist möglich, dass das Vorsteuersignal zum Rückschlagventil unabhängig von der Druckdifferenz gegeben werden kann. Zum Beispiel, wenn die lonenleitfähigkeit der Zelle gesunken ist. Dieses Pilotsignal kann vom Batteriemanagementsystem an das Rückschlagventil gegeben werden. Der Elektrolyt aller Zellen oder einer bestimmten Zelle kann ausgetauscht werden. Ein vorgesteuertes Rückschlagventil kann auf einfachste Weise eingebaut werden, indem ein Druck- und Zugmechanismus, der an der Kugel des Rückschlagventils befestigt ist, in Gewindeverbindungen eingebaut wird.
In der obigen vierten Option ist die Funktionsweise eines vorgesteuerten Rückschlagventils wie folgt: Temperatursensoren werden in der Nähe jeder Zelle angebracht. Sie erfassen die Temperatur und leiten die Informationen an eine Steuereinheit weiter. Wenn die Temperaturdifferenz zwischen dem erfassten Wert und dem Sollwert größer ist, schließt der die Steuereinheit einen Schalter. Strom fließt von der Batterie zu zum Beispiel einem Stahlstift. Der Stahlstift wird magnetisiert. Er drückt auf die Feder, die an der Oberseite des Stahlstempels befestigt ist. Die Feder wird vollständig gedrückt, bis sie den Block erreicht. Danach bewegt sie den Stahlkolben nach unten. Der Federkolben drückt auf den Stift, der an der Rückschlagventilkugel befestigt ist. Das Rückschlagventil bewegt sich nach unten und drückt die Rückschlagventilfeder. Das Rückschlagventil öffnet sich und der Elektrolyt wird von der Zulaufpumpe in die Zelle gepumpt. Das bedeutet, dass das Rückschlagventil durch eine externe Magnetkraft geöffnet wird, die auf die Rückschlagventilkugel wirkt. Der an der Rückschlagventilkugel befestigte Stift ist ebenfalls aus Edelstahl und mit der Kugel verschweißt. Sobald die Zulaufpumpe startet, wird Ablaufpumpe gleichzeitig starten und den Elektrolyt aus der Zelle ziehen. Dabei erzeugt die Zulaufpumpe einen Druck, der höher ist als der Druck des Rückschlagventils von 1,2 bar. Daher wird der Elektrolyt aus der Zelle gepumpt. Sobald die Temperatur der Zelle wieder im normalen Bereich liegt, öffnet die Steuereinheit den Schalter. Der Stahlstift wird entmagnetisiert. Er wird durch die Feder in seine ursprüngliche Position zurückbewegt. Der Stahlstößel bewegt sich ebenfalls nach oben. Das Rückschlagventil wird geschlossen und der Durchfluss des Elektrolyten in der Zelle wird gestoppt. Wenn die Zulaufpumpe stoppt, stoppt gleichzeitig auch die Ablaufpumpe. Stahlstift, Spule, Feder und Stahlstößel sind im Gewindeanschluss integriert. Nur das Rückschlagventil, das an der Zulaufpumpe angebracht ist, muss vorgesteuert werden. Wenn Zulaufpumpe in Betrieb geht, läuft Ablaufpumpe sofort an.
Nachfolgend sind Erfindungsaspekte nochmals im einzelnen hervorgehoben: So können in einer technischen Umsetzung die Batteriezellen in Parallelschaltung im Elektrolyt-Kreislauf angeordnet sein. In diesem Fall kann jede Batteriezelle zur Anbindung an den Elektrolyt-Kreislauf einen Einlass und einen Auslass aufweisen. Dem Einlass und dem Auslass können jeweils ein Sperrventil zugeordnet sein. Bevorzugt kann das Sperrventil ein selbsttätig arbeitendes Rückschlagventil sein. In diesem Fall kann das Einlass-Rückschlagventil (das heißt dem Batteriezellen-Einlass zugeordnet) für einen Druckaufbau im Zellgehäuse in Richtung Zellgehäuse-Inneres öffnen, sofern ein Druckschwellwert erreicht ist. In Gegenrichtung sperrt das Einlass-Rückschlagventil. Alternativ und/oder zusätzlich kann das Auslass-Rückschlagventil (das heißt dem Batteriezellen-Auslass zugeordnet) in Richtung Zellgehäuse-Inneres sperren und für eine Druckentlastung im Zellgehäuse in Gegenrichtung öffnen, sofern ein Druckschwellwert erreicht ist. Bevorzugt ist es, wenn die Druckschwellwerte der beiden Rückschlagventile gleich groß bemessen sind. Zudem ist es bevorzugt, wenn die beiden Rückschlagventile größer bemessen sind als der Umgebungsdruck.
Damit das Hochvoltbatteriesystem einen möglichst hohen Energieinhalt aufweist, können die Batteriezellen in einem Modulgehäuse eines Batteriemoduls gestapelt sein. Das Hochvoltbatteriesystem kann eine Mehrzahl solcher Batteriemodule aufweisen. Das Modulgehäuse jedes Batteriemoduls kann in der Modul-Hochrichtung mit einer Deckwand geschlossen sein. Um eine konstruktiv einfache Einbindung der Batteriezellen in den Elektrolyt-Kreislauf zu gewährleisten, können folgende Maßnahmen verwirklicht sein: So kann die Modulgehäuse-Deckwand einen Zulaufkanal aufweisen, an dem die Batteriezellen-Einlässe angeschlossen sind. Zudem kann die Deckwand einen Ablaufkanal aufweisen, an dem die Batteriezettel-Auslässe angeschlossen sind. Der in der Modulgehäuse-Deckwand ausgebildete Zulaufkanal kann über einen Anschluss mit einer Druckleitung der Zulaufpumpe verbunden sein. In gleicher Weise kann der in der Modulgehäuse-Deckwand ausgebildete Ablaufkanal über einen Anschluss mit einer Saugleitung der Ablaufpumpe verbunden sein.
Im Elektrolyt-Kreislauf kann ein Elektrolyt-Reservoir eingebunden sein, in dem aus den Batteriezellen geführtes Alt-Elektrolyt gespeichert wird und aus dem Neu-Elektrolyt in die Batteriezellen eingespeist wird. Hierzu kann die Saugleitung der Zulaufpumpe sowie die Druckleitung der Ablaufpumpe in Strömungsverbindung mit dem Elektrolyt-Reservoir gebracht sein. Bevorzugt ist es, wenn in der Saugleitung der Zulaufpumpe ein Rückschlagventil angeordnet ist, das in Richtung Elektrolyt-Reservoir sperrt und in Richtung Zulaufpumpe öffnet und zwar mit Erreichen des Druckschwellwerts. Alternativ und/oder zusätzlich kann in der Druckleitung der Ablaufpumpe ein Rückschlagventil angeordnet sein, das in Richtung Ablaufpumpe sperrt und in Richtung Elektrolyt-Reservoir öffnet, sofern der Druckschwellwert erreicht ist. Auf diese Weise kann im gesamten Elektrolyt-Kreislauf der Druck in etwas auf dem Druckschwellwert gehalten werden, der größer als der Umgebungsdruck ist.
Der Elektrolyt-Kreislauf kann so ausgelegt sein, dass bei einem Druckanstieg in einer Batteriezelle ein Umwälzvorgang startet. Beim Umwälzvorgang wird der erwärmte Alt-Elektrolyt aus der Batteriezelle geleitetet und gleichzeitig kühler Neu-Elektrolyt in die Batteriezelle eingespeist. In einer Ausführungsvariante kann auf Bereitstellung von Temperatursensoren zur Erfassung der Temperatur in der Batteriezelle verzichtet werden. Anstelle dessen kann der Umwälzvorgang in Abhängigkeit von dem, mit der Temperatur korrelierenden Zellgehäuse-Innendruck starten. In diesem Fall wird der Umwälzvorgang gestartet, wenn der Zellgehäuse-Innendruck den Druckschwellwert übersteigt. Dadurch öffnet sich das Ablauf-Rückschlagventil und wird die Ablaufpumpe aktiviert. Der erwärmte Alt-Elektrolyt wird so lange aus dem Zellgehäuse geleitet, bis der Zellgehäuse-Innendruck unter den Druckschwellwert fällt und das Ablauf-Schlagventil schließt. Gleichzeitig mit der Aktivierung der Ablaufpumpe wird die Zulaufpumpe aktiviert. Mittels der Zulaufpumpe wird Neu-Elektrolyt in das Zellgehäuse eingespeist. Dies erfolgt so lange, bis der Zellgehäuse-Innendruck den Druckschwellwert übersteigt und das Zulauf-Rückschlagventil schließt.
In einer weiteren Ausführungsform kann das Elektrolyt-Reservoir Bestandteil einer Elektrolyt-Aufbereitungsanlage sein. In der Elektrolyt-Aufbereitungsanlage kann dem Elektrolyt-Reservoir stromauf eine Filtereinheit und eine Entgasungseinheit vorgeschaltet sein. In diesem Fall kann der aus der Batteriezelle herausgeführte Alt-Elektrolyt zunächst in der Filtereinheit von Feststoffen befreit werden. Anschließend kann in der Entgasungseinheit der von Feststoffen befreite Alt-Elektrolyt entgast werden.
Der Innenraum des Elektrolyt-Reservoirs kann bevorzugt mit Schutzgas, insbesondere Stickstoff beaufschlagt werden. In diesem Fall wird im Elektrolyt-Reservoir eine sauerstofffreie Schutzgas-Atmosphäre bereitgestellt. Deren Druck ist insbesondere größer als der Umgebungsdruck, um das Eintreten von Luft in den Innenraum des Elektrolyt-Reservoirs zu vermeiden.
Das Elektrolyt-Reservoir kann ein Thermoelement, insbesondere ein Peltier-Element aufweisen, mittels dem der Elektrolyt kühlbar ist oder alternativ erwärmbar ist.
In einer weiteren Ausführungsvariante kann dem Elektrolyt-Kreislauf ein Wege-Ventil zugeordnet sein. Das Wege-Ventil kann mittels einer Steuereinheit in eine Sperrstellung oder in eine Offenstellung verstellbar sein. In der Sperrstellung ist sowohl die Druckleitung der Zulaufpumpe als auch die Saugleitung der Ablaufpumpe gesperrt. Alternativ dazu ist in der Offenstellung sowohl die Druckleitung der Zulaufpumpe als auch die Saugleitung der Ablaufpumpe geöffnet. Das Wege-Ventil wird mittels einer elektronischen Steuereinheit angesteuert. Diese kann in Signalverbindung mit zumindest einem Temperatursensor sein, der eine Ist-Temperatur der Batteriezelle oder des Batteriemoduls erfasst. Die Steuereinheit kann das Zwei-Wege-Ventil in die Offenstellung steuern, sofern die erfasste Ist-Temperatur größer ist als eine in der Steuereinheit hinterlegte Temperaturschwelle. Alternativ dazu kann die Steuereinheit das Wege-Ventil in die Sperrstellung steuern, sofern die Ist-Temperatur kleiner als die Temperaturschwelle oder gleich der Temperaturschwelle ist. Auf diese Weise wird sowohl eine temperaturabhängige als auch eine druckabhängige Kühlung der Batteriezellen durchgeführt.
Eine solche sowohl temperaturabhängige als auch druckabhängige Kühlung ist auch in der folgende Ausführungsvariante ermöglicht: so können die Einlass-Rückschlagventile und/oder die Auslass-Rückschlagventile nicht nur selbsttätig arbeiten, sondern mittels einer zusätzlichen Steuereinheit ansteuerbar sein. Die Steuereinheit kann in Signalverbindung mit einem Temperatursensor sein, der eine Ist-Temperatur der Batteriezelle oder des Batteriemoduls erfasst. Die Steuereinheit kann das Einlass- und/oder Auslass-Rückschlagventil von seiner federvorgespannten Geschlossenstellung in die Offenstellung steuern, sofern die Ist-Temperatur einen in der Steuereinheit hinterlegten Temperatur-Schwellwert übersteigt. Auf diese Weise kann zusätzlich zur druckabhängigen Kühlung (abhängig vom Zellgehäuse-Innendruck) eine temperaturabhängige Kühlung der Batteriezelle erfolgen.
Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben.
Es zeigen:

1 bis 5 jeweils Ansichten eines ersten Ausführungsbeispiels zur Kühlung von Batteriezellen in einem Batteriemodul;
6 bis 10 jeweils Ansichten weiterer Ausführungsbeispiele.

In den 1 bis 3 ist ein Batteriemodul 1 insoweit angedeutet, als es für das Verständnis der Erfindung erforderlich ist. Demnach weist das Batteriemodul 1 ein Modulgehäuse mit einem Gehäuseboden 5 auf, von dem Gehäuseseitenwände 7 hochgezogen sind. Die GehäuseOberseite ist mit einer Deckwand 9 geschlossen. In dem Modulgehäuse 3 sind insgesamt sechs Batteriezellen 11 gestapelt, und zwar mit zwischengeordneten, elastischen Zwischenlagen 13. Die Batteriezellen 11 sind in einem Elektrolyt-Kreislauf eingebunden, in dem ein flüssiger Elektrolyt 15 umwälzbar ist. Die Batteriezellen 11 sind in den gezeigten Ausführungsbeispielen beispielshaft als Pouchzellen realisiert, die an gegenüberliegenden Seiten jeweils Anoden 17 und Kathoden 19 (3) aufweisen, die über nicht gezeigte Stromschienen miteinander elektrisch verschaltet sind.
In dem Batteriemodul 1 sind die Batteriezellen 11 in Parallelschaltung im Elektrolyt-Kreislauf angeordnet. Jede der Batteriezellen 11 weist einen Einlass 21 und einen Auslass 23 (3) auf, über die der Zellgehäuse-Innenraum 92 an den Elektrolyt-Kreislauf angebunden ist. In dem Batteriezellen-Einlass 21 ist ein Einlass-Rückschlagventil 25 angeordnet, während dem Batteriezellen-Auslass 23 ein Auslass-Rückschlagventil 27 zugeordnet ist. Sämtliche Batteriezellen-Einlässe 21 münden in einem Zulaufkanal 29, der in der Modulgehäuse-Deckwand 9 ausgebildet ist. In gleicher Weise münden sämtliche Batteriezellen-Auslässe 23 in einen Ablaufkanal 31, der ebenfalls in der Modulgehäuse-Deckwand 9 ausgebildet ist. Der Zulaufkanal 29 ist über einen Anschluss 33 mit einer Druckleitung 35 der einer Zulaufpumpe 37 verbunden, während der Ablaufkanal 31 über einen weiteren Anschluss 39 mit einer Saugleitung 41 einer Ablaufpumpe 43 verbunden ist. Die Saugleitung 45 der Zulaufpumpe 37 sowie die Druckleitung 47 der Ablaufpumpe 43 sind mit einer Elektrolyt-Aufbereitungsanlage 49 verbunden. Die Elektrolyt-Aufbereitungsanlage 49 weist ein Elektrolyt-Reservoir 51 auf. Stromauf des Elektrolyt-Reservoirs 51 ist eine Filtereinheit 53 und eine Entgasungseinheit 55 vorgeschaltet.
In der in der 1 gezeigten Elektrolyt-Aufbereitungsanlage 49 wird der aus den Batteriezellen 11 geführte Elektrolyt 15 gefiltert, entgast sowie gekühlt oder alternativ erwärmt und anschließend wieder den Batteriezellen 11 zugeführt. Hierzu weist die Filtereinheit 53 eine angedeutete Filterkassette 57 auf, in der Feststoffe vom Elektrolyt 15 getrennt werden. Der von Feststoffen befreite Elektrolyt wird im weiteren Verlauf der Entgasungseinheit 55 zugeführt. Die Entgasung erfolgt in zwei Prozessschritten. Im ersten Prozessschritt wird der Elektrolyt 15 in einer Ultraschallkammer 59 einer Ultraschall-Behandlung unterzogen, in der Ultraschall-Wellen mit Hilfe eines Generators 61 Gasblasen erzeugen. Die Gasblasen werden an einer Gas/Flüssigkeit-Abscheidemembran 63 vom Elektrolyt 15 abgeschieden und in einen Gasraum 65 gesammelt. Der Gasraum 65 ist über eine Gasleitung 67 in Verbindung mit einem Gas-Reservoir 69. In der Gasleitung ist eine Vakuumpumpe 71 sowie stromab davon ein Rückschlagventil C2 angeordnet. Der in der Ultraschallkammer 59 befindliche, entgaste Elektrolyt 15 wird über eine Zulaufleitung 75 in das Elektrolyt-Reservoir 51 geführt. In der Zulaufleitung 75 ist ein Rückschlagventil C3 angeordnet. Weitere Rückschlagventile C1 und C4 sind jeweils in der Druckleitung der Ablaufpumpe 43 und in der Saugleitung der Zulaufpumpe 37 angeordnet.
Wie aus der 1 weiter hervorgeht, wird der Innenraum des Elektrolyt-Reservoirs 51 mit Schutzgas, das heißt mit Stickstoff, beaufschlagt. Auf diese Weise wird im Elektrolyt-Reservoir 51 eine sauerstofffreie Schutzgas-Atmosphäre bereitgestellt. Hierzu ist ein Stickstoffbehälter 77 über eine Zuleitung 79 mit dem Innenraum des Elektrolyt-Reservoirs 51 in Verbindung. Im Stickstoffbehälter 77 herrscht ein Überdruck von beispielhaft 2 bar. Dieser wird über ein Druckreduzierventil 81, das in der Zuleitung 79 angeordnet ist, auf etwa 1,1 bar in den Innenraum des Elektrolyt-Reservoirs 51 entspannt.
Am Gehäuseboden des Elektrolyt-Reservoirs 51 ist ferner ein Peltierelement 83 angeordnet, mittels dem der Elektrolyt 15 kühlbar oder erwärmbar ist. Hierzu wird mittels eines Temperatursensors 85 eine Ist-Temperatur im Elektrolyt-Reservoir 51 erfasst. Auf der Grundlage der erfassten Ist-Temperatur generiert ein Steuergerät 87 ein entsprechendes Stellsignal für das Peltierelement 83, um den Elektrolyt 15 zu kühlen oder zu erwärmen.
In den 4 und 5 ist jeweils ein Einlass-Rückschlagventil 25 und ein Auslass-Rückschlagventil 27 detailliert dargestellt. Demnach ist ein kugelförmiges Ventilelement 89 mittels einer von einer Feder 90 ausgeübten Vorspannkraft in flüssigkeitsdichter Anlage mit einem Ventilsitz 91 gebracht. Das Einlass-Rückschlagventil 25 (4) öffnet für einen Druckaufbau im Zellgehäuse-Inneren 92, sofern ein Druckschwellwert (korrespondiert mit der Feder-Vorspannkraft) erreicht ist. In Gegenrichtung sperrt das Einlass-Rückschlagventil 25. Im Unterschied dazu sperrt das Auslass-Rückschlagventil 27 (5) in Richtung Zellgehäuse-Inneren 92. Für eine Druckentlastung im Zellgehäuse öffnet das Auslass-Rückschlagventil 27, sofern ein Druckschwellwert (korrespondiert mit der Feder-Vorspannkraft) erreicht ist. Erfindungsgemäß sind die Druckschwellwerte der beiden Rückschlagventile 25, 27 sowie der weiteren Rückschlagventile C1 bis C4 aufeinander abgestimmt und bevorzugt gleich groß sowie größer als der Umgebungsdruck bemessen. Die Rückschlagventile C1 bis C4 sind im wesentlichen funktionsgleich wie die Rückschlagventile 25, 27.
Bei einem Temperaturanstieg in einer der Batteriezellen 11 startet ein Umwälzvorgang, bei dem der in der Batteriezelle 11 erwärmte Alt-Elektrolyt 15 aus der Batteriezelle 11 geleitet wird und kühler Neu-Elektrolyt 15 in die Batteriezelle 11 eingespeist wird. In den 1 bis 4 wird auf Temperatursensoren zur Erfassung der Batteriezellen-Temperatur verzichtet. Anstelle dessen erfolgt der Umwälzvorgang alleine in Abhängigkeit von dem, mit der Batteriezellen-Temperatur korrelierenden Zellgehäuse-Innendruck. So wird der Umwälzvorgang gestartet, wenn der Zellgehäuse-Innendruck den Druckschwellwert (zum Beispiel 1,2 bar) übersteigt. Dadurch öffnet das Ablauf-Rückschlagventil 27 und wird die Ablaufpumpe 43 aktiviert. Dadurch wird der erwärmte Alt-Elektrolyt 15 so lange aus dem Zellgehäuse geleitet, bis der Zellgehäuse-Innendruck unter den Druckschwellwert (zum Beispiel 1,2 bar) fällt und das Ablauf-Rückschlagventil 27 schließt. Gleichzeitig mit Aktivierung der Ablaufpumpe 43 wird auch die Zulaufpumpe 37 aktiviert, mittels der Zulaufpumpe 37 wird Neu-Elektrolyt 15 in das Zellgehäuse eingespeist, und zwar so lange, bis der Zellgehäuse-Innendruck den Druckschwellwert (1, 2 bar) übersteigt und das Zulauf-Rückschlagventil 25 schließt.
In der 6 ist ein Elektrolyt-Kreislauf gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel gezeigt. Dessen grundsätzlicher Aufbau und Funktionsweise ist identisch mit den in den 1 bis 5 gezeigten Aufbau sowie dessen Funktionsweise. Von daher wird auf die Vorbeschreibung verwiesen. Im Unterschied zur 1 ist der Elektrolyt-Kreislauf ohne Elektrolyt-Aufbereitungsanlage 49 bereitgestellt. Anstelle dessen ist in der 6 lediglich ein Elektrolyt-Reservoir 51 in den Elektrolyt-Kreislauf geschaltet. Zudem weist der Elektrolyt-Kreislauf gemäß der 6 ein Zwei-Wege-Ventil 93 auf, das mittels einer elektronischen Steuereinheit 94 in eine gezeigte Sperrstellung oder eine Offenstellung verstellbar ist. In der dargestellten Sperrstellung ist die Druckleitung 35 der Zulaufpumpe 37 sowie die Saugleitung 41 der Ablaufpumpe 43 gesperrt. Dagegen ist in der (nicht gezeigten) Offenstellung die Druckleitung 35 der Zulaufpumpe 37 und die Saugleitung 41 der Ablaufpumpe 43 geöffnet. Die Steuereinheit 94 ist in der 6 in Signalverbindung mit Temperatursensoren 85, die eine Ist-Temperatur im Batteriemodul 1 erfassen. Die Steuereinheit 94 steuert das Zwei-Wege-Ventil 93 in die Offenstellung, sofern die Ist-Temperatur größer als eine in der Steuereinheit 94 hinterlegte Temperaturschwelle ist. Alternativ dazu steuert die Steuereinheit 94 das Zwei-Wege-Ventil 93 in die gezeigte Sperrstellung, sofern die Ist-Temperatur kleiner als die Temperaturschwelle oder gleich der Temperaturschwelle ist. Gemäß dem in der 6 gezeigten Ausführungsbeispiel ist daher zusätzlich zur selbsttätigen druckabhängigen Kühlung (mit Hilfe der Einlass-Rückschlagventile 25 und der Auslass-Rückschlagventile 27) mit Hilfe der Steuereinheit 94 auch eine temperaturabhängige Kühlung durchführbar.
In gleicher Weise ist auch in der 7 sowohl eine druckabhängige als auch eine temperaturabhängige Kühlung durchführbar. Demnach sind in der 7 die Zulaufpumpe 37 und die Ablaufpumpe 43 in Signalverbindung mit einer Steuereinheit 96. Die Steuereinheit 96 kann in Abhängigkeit von den, mittels der Temperatursensoren 95 erfassten Ist-Temperaturen die Zulaufpumpe 37 und/oder die Ablaufpumpe 43 aktivieren.
In der 8 ist ebenfalls ein Elektrolyt-Kreislauf angedeutet, mittels dem sowohl eine temperaturabhängige Kühlung als auch eine druckabhängige Kühlung durchführbar ist. Die druckabhängige Kühlung erfolgt wie bereits anhand der 1 bis 3 beschrieben. In der, in der 8 gezeigten Weiterentwicklung sind sowohl die Einlass-Rückschlagventile 25 als auch die Auslass-Rückschlagventile 27 mittels einer Steuereinheit 97 ansteuerbar, wie es in den 9 und 10 gezeigt ist. Gemäß der 9 ist dem Einlass-Rückschlagventil 25 ein elektromechanischer Aktor 98 zugordnet, der entgegen der Federkraft der Vorspannfeder 90 einen Flüssigkeitsweg öffnet. In gleicher Weise ist auch dem Auslass-Rückschlagventil 27 ( 10) ein solcher elektromechanischer Aktuator 98 zugeordnet, der von der Steuereinheit 97 ansteuerbar ist. Auf diese Weise können die Einlass-Rückschlagventile 25 und die Auslass-Rückschlagventile 27 mit Hilfe der Steuereinheit 97 in eine Offenstellung verstellt werden, und zwar unabhängig von dem Zellgehäuse-Innendruck. Die Steuereinheit 97 ist in Signalverbindung mit Temperatursensoren 99, die eine Ist-Temperatur der Batteriezellen 11 erfasst. Die Steuereinheit 97 steuert das Einlass- und/oder Auslass-Rückschlagventil 25, 27 in die Offenstellung, sofern die erfasste Ist-Temperatur einen in der Steuereinheit 97 hinterlegten Temperaturschwellwert übersteigt.
Bezugszeichenliste

1: Batteriemodul
5: Gehäuseboden
7: Gehäuseseitenwände
9: Gehäusedeckwand
11: Batteriezellen
13: elastische Zwischenlagen
15: Elektrolyt
17: Anoden
19: Kathoden
21: Einlass
23: Auslass
25: Einlass-Rückschlagventil
27: Auslass-Rückschlagventil
29: Zulaufkanal
31: Ablaufkanal
33: Anschluss
35: Zulaufpumpen-Druckleitung
37: Zulaufpumpe
39: Anschluss
41: Ablaufpumpen-Saugleitung
43: Ablaufpumpe
49: Elektrolyt-Aufbereitungsanlage
51: Elektrolyt-Reservoir
53: Filtereinheit
55: Entgasungseinheit
57: Filterkassette
59: Ultraschall-Kammer
61: Ultraschall-Generator
63: Gas/Flüssigkeits-Abscheidemembran
65: Gasraum
67: Gasleitung
69: Gas-Reservoir
71: Vakuumpumpe
75: Zulaufleitung
77: Schutzgas-Behälter
79: Zuleitung
81: Druckreduzierventil
83: Kernelement
85: Temperatursensor
87: Steuergerät
92: Zellgehäuse-Inneres
93: Wege-Ventil
94: Steuereinheit
95: Temperatursensor
96: Steuereinheit
97: Steuereinheit
98: elektromechanische Aktuator
99: Temperatursensor
C1 bis C4: Rückschlagventile

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 20160133914 A1 [0004]
US 20200052267 A1 [0004]
US 2019355960 A1 [0004]

Claims

Hochvoltbatteriesystem, mit einer Mehrzahl von Lithium-Ionen-Batteriezellen (11), in deren Zellgehäuse sich Aktivmaterial sowie ein flüssiger Elektrolyt (15) befindet, dadurch gekennzeichnet, dass das Hochvoltbatteriesystem einen Elektrolyt-Kreislauf aufweist, in den die Batteriezellen (11) strömungstechnisch eingebunden sind, so dass mittels einer Zulaufpumpe (37) und/oder einer Ablaufpumpe (43) eine Elektrolyt-Strömung durch die jeweilige Batteriezelle (11) ermöglicht ist, und zwar insbesondere für einen Umwälzvorgang, in dem der Elektrolyt (15) in der Batteriezelle (11) umwälzbar ist, oder für einen Füllvorgang, in dem ein Neu-Elektrolyt (15) in die jeweilige Batteriezelle (11) einspeisbar ist, oder für einen Entleervorgang, in dem Alt-Elektrolyt (15) aus der jeweiligen Batteriezelle (11) entfernbar ist.
Hochvoltbatteriesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezellen (11) in Parallelschaltung im Elektrolyt-Kreislauf angeordnet sind, und/oder dass jede Batteriezelle (11) zur Anbindung an den Elektrolyt-Kreislauf einen Einlass (21) und einen Auslass (23) aufweist, und dass insbesondere dem Einlass (21) und dem Auslass (23) jeweils ein Sperrventil zugeordnet ist, und dass insbesondere das Sperrventil ein Rückschlagventil (25, 27) ist, und/oder dass insbesondere das dem Einlass (21) zugeordnete Rückschlagventil (25) für einen Druckaufbau im Zellgehäuse in Richtung Zellgehäuse-Inneren (92) öffnet, sofern ein Druck-Schwellwert erreicht ist, und in Gegenrichtung sperrt, und dass insbesondere das dem Auslass (23) zugeordnete Rückschlagventil (27) in Richtung Zellgehäuse-Inneren (92) sperrt und für eine Druckentlastung im Zellgehäuse in Gegenrichtung öffnet, sofern ein Druckschwellwert erreicht ist, und dass insbesondere die Druckschwellwerte der beiden Rückschlagventile (25, 27) gleich groß und/oder größer als der Umgebungsdruck bemessen sind.
Hochvoltbatteriesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezellen (11) in einem Modulgehäuse eines Batteriemoduls (1) gestapelt sind, das in der Modul-Hochrichtung mit einer Deckwand (9) geschlossen ist, und dass die Deckwand (9) einen Zulaufkanal (29), an dem die Batteriezellen-Einlässe (21) angeschlossen sind, und eine Ablaufkanal (31) aufweist, an dem die Batteriezellen-Auslässe (23) angeschlossen sind, und dass insbesondere der Zulaufkanal (29) über einen Anschluss (33) mit einer Druckleitung (35) der Zulaufpumpe (37) verbunden ist, und/oder dass insbesondere der Ablaufkanal (31) über einen Anschluss (39) mit einer Saugleitung (41) der Ablaufpumpe (43) verbunden ist.
Hochvoltbatteriesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den Elektrolyt-Kreislauf ein Elektrolyt-Reservoir (51) eingebunden ist, und dass die Saugleitung der Zulaufpumpe (37) sowie die Druckleitung der Ablaufpumpe (43) an dem Elektrolyt-Reservoir (51) angeschlossen sind, und dass insbesondere in der Saugleitung der Zulaufpumpe (37) ein Rückschlagventil (C4) angeordnet ist, das in Richtung Elektrolyt-Reservoir (51) sperrt und in Richtung Zulaufpumpe (37) öffnet bei Erreichen des Druckschwellwerts, und/oder dass insbesondere in der Druckleitung der Ablaufpumpe (43) ein Rückschlagventil (C1) angeordnet ist, das in Richtung Zellgehäuse sperrt und in Richtung Elektrolyt-Reservoir (51) öffnet bei Erreichen des Druckschwellwerts.
Hochvoltbatteriesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Temperaturanstieg in einer Batteriezelle (11) ein Umwälzvorgang startet, bei dem der erwärmte Alt-Elektrolyt (15) aus der Batteriezelle (11) gebildet wird und kühler Neu-Elektrolyt (15) in die Batteriezelle (11) eingespeist wird, und/oder dass insbesondere auf einen Temperatursensor zur Erfassung der Temperatur in der Batteriezelle (11) verzichtet ist und/oder anstelle dessen der Umwälzvorgang in Abhängigkeit von dem, mit der Temperatur korrelierenden Zellgehäuse-Innendruck gestartet wird, und dass insbesondere der Umwälzvorgang gestartet wird, wenn der Zellgehäuse-Innendruck den Druckschwellwert übersteigt, so dass das Auslass-Rückschlagventil (27) öffnet und die Ablaufpumpe (43) aktiviert wird, und dass insbesondere der erwärmte Alt-Elektrolyt (15) solange aus dem Zellgehäuse geleitet wird, bis der Zellgehäuse-Innendruck unter den Druckschwellwert fällt und das Auslass-Rückschlagventil (27) schließt, und/oder dass insbesondere gleichzeitig mit Aktivierung der Ablaufpumpe (43) die Zulaufpumpe (37) aktiviert wird, mittels der Neu-Elektrolyt (15) in das Zellgehäuse eingespeist wird, und zwar solange bis der Zellgehäuse-Innendruck den Druckschwellwert übersteigt und das Einlass-Rückschlagventil (25) schließt.
Hochvoltbatteriesystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrolyt-Reservoir (51) Bestandteil einer Elektrolyt-Aufbereitungsanlage (49) ist, in der dem Elektrolyt-Reservoir (51) stromauf eine Filtereinheit (53) und eine Entgasungseinheit (55) vorgeschaltet ist, und dass insbesondere der aus der Batteriezelle (11) herausgeführte Alt-Elektrolyt (15) in der Filtereinheit (53) von Feststoffen befreit wird, und insbesondere anschließend in der Entgasungseinheit (55) entgast wird.
Hochvoltbatteriesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenraum des Elektrolyt-Reservoirs (51) mit Schutzgas, insbesondere Stickstoff, beaufschlagt ist, wodurch im Elektrolyt-Reservoir (51) eine sauerstofffreie Schutzgas-Atmosphäre bereitgestellt ist, deren Druck insbesondere größer als der Umgebungsdruck ist, und/oder dass das Elektrolyt-Reservoir (51) ein Thermoelement (83), insbesondere Peltierelement, aufweist, mittels dem der Elektrolyt (15) kühlbar oder erwärmbar ist.
Hochvoltbatteriesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Elektrolyt-Kreislauf ein Wege-Ventil (93) aufweist, das mittels einer Steuereinheit (94) in eine Sperrstellung oder in eine Offenstellung verstellbar ist, und dass insbesondere in der Sperrstellung die Druckleitung (35) der Zulaufpumpe (37) und die Saugleitung (41) der Ablaufpumpe (43) gesperrt sind, oder in der Offenstellung die Druckleitung (35) der Zulaufpumpe (37) und die Saugleitung (41) der Ablaufpumpe (43) geöffnet sind, und dass insbesondere die Steuereinheit (94) in Signalverbindung mit zumindest einem Temperatursensor (85) ist, der eine Ist-Temperatur der Batteriezelle (11) oder des Batteriemoduls (1) erfasst, und dass insbesondere die Steuereinheit (94) das Wege-Ventil (93) in die Offenstellung steuert, sofern die Ist-Temperatur größer als eine in der Steuereinheit (94) hinterlegte Temperaturschwelle ist, oder alternativ die Steuereinheit (94) das Wege-Ventil (93) in die Sperrstellung steuert, sofern die Ist-Temperatur kleiner als oder gleich der Temperaturschwelle ist, so dass insbesondere sowohl eine temperaturabhängige als auch eine druckabhängige Kühlung durchführbar ist.
Hochvoltbatteriesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zulaufpumpe (37) und die Ablaufpumpe (43) in Signalverbindung mit einer Steuereinheit sind, und dass die Steuereinheit in Abhängigkeit von, mittels Temperatursensoren (85) erfassten Ist-Temperaturen die Zulaufpumpe (37) und/oder die Ablaufpumpe (43) aktiviert.
Hochvoltbatteriesystem nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlass-Rückschlagventile (25) und/oder die Auslass-Rückschlagventile (27) mittels einer Steuereinheit (97) in eine Offenstellung verstellbar sind, und zwar unabhängig vom Zellgehäuse-Druck, und dass insbesondere die Steuereinheit (97) in Signalverbindung mit zumindest einem Temperatursensor (95) ist, der eine Ist-Temperatur der Batteriezelle (11) oder des Batteriemoduls (1) erfasst, und dass insbesondere die Steuereinheit (97) das Einlass- und/oder Auslass-Rückschlagventil (25, 27) in die Offenstellung steuert, sofern die Ist-Temperatur einen in der Steuereinheit (97) hinterlegten Temperatur-Schwellwert übersteigt.