DE102022104897A1 - Battery for an electrically drivable motor vehicle, method for operating a battery and motor vehicle - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Batterie (1, 2), ein Kraftfahrzeug (3) sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Batterie (1, 2). Eine nichtnewtonsche Kühlflüssigkeit (4) der Batterie (1) ist dazu ausgebildet, in einem ersten Viskositätszustand niedrigerviskos die Batteriezellanordnung (6) zu umspülen und in einem zweiten Viskositätszustand, in welchem die Kühlflüssigkeit (4) aufgrund einer Scherbelastung im Vergleich zum ersten Viskositätszustand höherviskos ist oder wird, ein Dämpfungselement (10) in dem Gehäuse (5) für die Batteriezellanordnung (6) zu bilden. Alternativ ist die nichtnewtonsche Kühlflüssigkeit (4) der Batterie (2) dazu ausgebildet, in einem ersten Viskositätszustand höherviskos die Batteriezellanordnung (6) zu umspülen und in einem zweiten Viskositätszustand, in welchem die Kühlflüssigkeit (4) aufgrund einer Scherbelastung im Vergleich zum ersten Viskositätszustand niedrigerviskos ist oder wird, die Batteriezellanordnung (6) zu umspülen.The invention relates to a battery (1, 2), a motor vehicle (3) and a method for operating such a battery (1, 2). A non-Newtonian cooling liquid (4) of the battery (1) is designed to flow around the battery cell arrangement (6) with a lower viscosity in a first viscosity state and in a second viscosity state in which the cooling liquid (4) is more viscous than in the first viscosity state due to shear stress or is to form a damping element (10) in the housing (5) for the battery cell arrangement (6). Alternatively, the non-Newtonian cooling liquid (4) of the battery (2) is designed to flow around the battery cell arrangement (6) with a higher viscosity in a first viscosity state and in a second viscosity state in which the cooling liquid (4) has a lower viscosity compared to the first viscosity state due to shear stress is or will wash around the battery cell arrangement (6).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterie für ein elektrisch antreibbares bzw. fortbewegbares Kraftfahrzeug. Insbesondere handelt es sich bei der Batterie um eine Traktionsbatterie für das Kraftfahrzeug. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Batterie. Zudem betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug, das mit einer solchen Batterie ausgerüstet ist.The present invention relates to a battery for a motor vehicle that can be driven or moved electrically. In particular, the battery is a traction battery for the motor vehicle. Furthermore, the invention relates to a method for operating such a battery. In addition, the invention relates to a motor vehicle that is equipped with such a battery.
Um in elektrisch antreibbaren bzw. elektrisch fortbewegbaren Kraftfahrzeugen (zum Beispiel Hybridkraftfahrzeuge oder reinelektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge) möglichst viel elektrische Energie für eine vorteilhaft besonders hohe Fahrreichweite des Kraftfahrzeugs speichern zu können, kommen an Bord des Kraftfahrzeugs Sekundärbatterien (elektrische Akkumulatoren) zum Einsatz, sie beispielsweise als Hochvoltspeicher oder Traktionsbatterie bezeichnet werden. Diese sind heutzutage besonders masse- und bauraumintensiv, wodurch sich bei der Konzeptionierung von elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen derzeit Schwierigkeiten hinsichtlich Packaging und Gesamtmasse des Kraftfahrzeugs ergeben. Zudem: Peripherieaggregate elektrischer Antriebskomponenten, etwa Schmiermittelreservoire, Kältemittelreservoire, jeweils zugehörige Fluidpumpen, entsprechende Fluidleitungsnetzwerke etc., erfordern weiteren Bauraum und tragen zu der besonders hohen Masse des Kraftfahrzeugs bei.In order to be able to store as much electrical energy as possible in electrically driven or electrically propelled motor vehicles (e.g. hybrid motor vehicles or purely electrically driven motor vehicles) for an advantageously particularly long driving range of the motor vehicle, secondary batteries (electrical accumulators) are used on board the motor vehicle, for example as High-voltage storage or traction battery are called. Nowadays, these are particularly bulky and space-intensive, as a result of which there are currently difficulties with regard to the packaging and overall mass of the motor vehicle when designing electrically driven motor vehicles. In addition, peripheral assemblies of electrical drive components, such as lubricant reservoirs, refrigerant reservoirs, associated fluid pumps, corresponding fluid line networks, etc., require additional installation space and contribute to the particularly high mass of the motor vehicle.
Die Packaging- und Masseproblematik werden noch weiter verschärft, indem Sicherheitseinrichtungen speziell für den Energiespeicher bzw. die Batterie vorzusehen sind, um eine besonders vorteilhafte Crashsicherheit für Insassen des Kraftfahrzeugs zu gewährleisten. Zum Beispiel sind Crashstrukturen an oder in der Batterie vorzusehen, mittels derer bei einem Crash bzw. Unfall auftretende und sich an der Batterie auswirkende Aufprallbeschleunigungen entlang vorgegebener Lastpfade definiert gedämpft bzw. abgebremst werden können. Hierdurch soll verhindert werden, dass die schwer und groß ausgebildete Batterie solchen Beschleunigungen unterworfen wird, durch welche die Batterie stark beschädigt wird. Ferner sind Maßnahmen vorzusehen, durch welche - insbesondere durch einen Unfall verursachte - exotherme Überreaktionen einer oder mehr von im Inneren der Batterie angeordneten Batteriezellen (auch thermisches Durchgehen, thermische Vermehrung, thermal runaway oder thermal propagation genannt) verlangsamt wird sowie eine Fortpflanzung der exothermen Überreaktion auf weitere Batteriezellen verlangsamt und/oder behindert, idealerweise vollständig verhindert, wird. Durch eine übermäßige Deformation, insbesondere aufgrund eines Bruches, einer Batteriezelle kann es dazu kommen, dass die gebrochene Batteriezelle thermisch durchgeht und dadurch übermäßig viel Wärme an ihre Umgebung, insbesondere an wenigstens eine weitere Batteriezelle, abgibt. Dadurch wird die weitere Batteriezelle in Mitleidenschaft gezogen, wodurch sie selbst thermisch durchgehen kann. Insofern kann sich das thermische Durchgehen über die Batteriezellen fortpflanzen, wodurch es zu einem Brand, insbesondere zu einer Explosion der Batterie kommen könnte. Daher werden bereits heutzutage verschiedene Maßnahmen getroffen, um einem thermischen Durchgehen entgegenzuwirken oder es nicht entstehen zu lassen.The packaging and mass problems are further aggravated by safety devices having to be provided specifically for the energy store or the battery in order to ensure particularly advantageous crash safety for the occupants of the motor vehicle. For example, crash structures are to be provided on or in the battery, by means of which impact accelerations occurring in a crash or accident and affecting the battery can be damped or braked in a defined manner along predetermined load paths. This is intended to prevent the battery, which is heavy and large, from being subjected to such accelerations as a result of which the battery is severely damaged. Measures must also be taken to slow down exothermic overreactions of one or more of the battery cells arranged inside the battery (also known as thermal runaway, thermal multiplication, thermal runaway or thermal propagation), caused in particular by an accident, and to propagate the exothermic overreaction further battery cells are slowed down and/or impeded, ideally completely prevented. Excessive deformation, in particular due to a fracture, of a battery cell can result in the fractured battery cell thermally running away and as a result dissipating an excessive amount of heat to its surroundings, in particular to at least one other battery cell. As a result, the other battery cell is affected, which can cause it to thermally run away itself. In this respect, the thermal runaway can propagate through the battery cells, which could lead to a fire, in particular to an explosion of the battery. Therefore, various measures are already being taken today to counteract thermal runaway or to prevent it from occurring.
Es ergeben sich also Schwierigkeiten bei der Konzeptionierung bzw. bei der Herstellung solcher Batterien, die für den Einsatz als Traktionsbatterie in einem Kraftfahrzeug vorgesehen sind. Eine Batterie besonders sicher und/oder besonders masseeffizient auszubilden erfordert ein Hohes Maß an Aufwand und eine besonders komplizierte Struktur der Batterie. Dabei liegt ein Zielkonflikt zwischen dem Bedarf nach besonders stabilen und dadurch masseintensiven Crashstrukturen und dem Bedarf nach besonders leichten elektrischen Energiespeichern bzw. Batterien vor.So there are difficulties in the conception or in the production of such batteries that are intended for use as a traction battery in a motor vehicle. Designing a battery to be particularly safe and/or particularly mass-efficient requires a great deal of effort and a particularly complicated structure for the battery. There is a conflict of objectives between the need for particularly stable and therefore mass-intensive crash structures and the need for particularly light electrical energy stores or batteries.
Die
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein besonders crashsicheres elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug zu schaffen, das zudem besonders leicht ausgebildet und dadurch besonders energieeffizient und emissionsarm betreibbar ist.It is the object of the invention to create a particularly crash-safe, electrically driven motor vehicle which is also particularly light in design and can therefore be operated in a particularly energy-efficient and low-emission manner.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weitere mögliche Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren offenbart. Merkmale, Vorteile und mögliche Ausgestaltungen, die im Rahmen der Beschreibung für einen der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche dargelegt sind, sind zumindest analog als Merkmale, Vorteile und mögliche Ausgestaltungen des jeweiligen Gegenstands der anderen unabhängigen Ansprüche sowie jeder möglichen Kombination der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche, gegebenenfalls in Verbindung mit einem oder mehr der Unteransprüche, anzusehen.This object is solved by the subject matter of the independent patent claims. Further possible configurations of the invention are disclosed in the dependent claims, the description and the figures. Features, advantages and possible configurations presented in the description for one of the subject-matters of the independent claims are at least analogous as features, advantages and possible configurations of the respective subject-matter of the other independent claims and of any possible combination of the subject-matters of the independent claims, where applicable in conjunction with one or more of the subclaims.
Erfindungsgemäß wird eine Batterie für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug, etwa für ein Hybridkraftfahrzeug, ein reinelektrisch antreibbares Kraftfahrzeug („Elektrofahrzeug“) etc., vorgeschlagen. Bei der Batterie kann es sich um eine (nicht wiederaufladbare) Primärbatterie oder um eine (wiederaufladbare) Sekundärbatterie handeln. Insbesondere handelt es sich bei der Batterie um eine Traktionsbatterie für das Kraftfahrzeug. Die Batterie weist ein Gehäuse und eine in dem Gehäuse angeordneten Batteriezellanordnung auf. Mit anderen Worten ist die Batteriezellanordnung, die aus einer Vielzahl von Batteriezellen oder Batteriezellpaketen gebildet ist, in dem Gehäuse positionsfest gehalten. Zur Kühlung der Batterie, insbesondere der in dem Gehäuse befestigten Batteriezellanordnung, weist die Batterie eine Kühlflüssigkeit auf, von der die Batteriezellanordnung in einem Betrieb - etwa in einem Ladebetrieb und/oder in einem Entladebetrieb - umströmt wird. Dabei erfolgt die Kühlung der Batteriezellanordnung insbesondere durch ein direktes Umspülen der Batteriezellanordnung, der Batteriezellpakete und/oder der Batteriezellen (Immersionskühlung).According to the invention, a battery for an electrically drivable motor vehicle, for example for a hybrid motor vehicle, a purely electrically drivable motor vehicle (“electric vehicle”), etc., is proposed. The battery can be a primary (non-rechargeable) battery or a secondary (rechargeable) battery. In particular, the battery is a traction battery for the motor vehicle. The battery has a housing and a battery cell arrangement arranged in the housing. In other words, the battery cell arrangement, which is formed from a large number of battery cells or battery cell packs, is held in a fixed position in the housing. In order to cool the battery, in particular the battery cell arrangement fastened in the housing, the battery has a cooling liquid which flows around the battery cell arrangement during operation, for example in charging operation and/or in discharging operation. In this case, the battery cell arrangement is cooled in particular by flushing the battery cell arrangement, the battery cell packs and/or the battery cells directly (immersion cooling).
Bei der Kühlflüssigkeit, die insbesondere als Lösung, als heterogene oder homogene Emulsion oder als Suspension vorliegen kann, handelt es sich um ein nichtnewtonsches Fluid. Bei einem nichtnewtonschen Fluid besteht zwischen einer Schub- bzw. Scherspannung (in der Fachliteratur oft durch das Zeichen τ dargestellt) und einer Schergeschwindigkeit (in der Fachliteratur oft durch das Zeichen γ̇ dargestellt) der Flüssigkeit ein nichtlinearer Zusammenhang. Vereinfacht ausgedrückt: Eine Viskosität (Zähflüssigkeit, in der Fachliteratur oft durch das Zeichen η dargestellt) der nichtnewtonschen Flüssigkeit nimmt mit andauernder Scherbelastung bzw. andauernder Scherbelastungsänderung ab oder zu. Werden hierin Viskositäten vergleichend einander gegenübergestellt, sind die Ausdrücke „niedrigerviskos“ und „höherviskos“ als zueinander relativ zu betrachten. Ein erster Viskositätszustand charakterisiert einen Zustand der Kühlflüssigkeit, in welchem die Viskosität der Kühlflüssigkeit stabil ist und bleibt, also zum Beispiel einen Ruhezustand der Kühlflüssigkeit. In den oder zu dem ersten Viskositätszustand hin beginnt die Kühlflüssigkeit immer dann zu streben, sobald sie keiner oder einer geringeren Scherbelastung bzw. keiner Scherbelastungsänderung (mehr) unterworfen ist. Ein zweiter Viskositätszustand charakterisiert einen anderen Zustand der Kühlflüssigkeit, in den oder zu dem hin die Kühlflüssigkeit immer dann zu streben beginnt, sobald sie einer Scherbelastung und/oder einer Scherbelastungsänderung unterworfen ist. Es kann sein, dass die Kühlflüssigkeit den ersten Viskositätszustand bzw. Ruhezustand erst nach einer Ruhephase vollständig erreicht. Ein schlagartiges Übergehen zwischen den Viskositätszuständen ist ebenso denkbar. Erfindungsgemäß kommt im Crash- bzw. Fehlerfall die Kühlflüssigkeit für den physischen und thermischen Schutz der Batteriezellen und deren Peripherie zum Einsatz.The cooling liquid, which can be present in particular as a solution, as a heterogeneous or homogeneous emulsion or as a suspension, is a non-Newtonian fluid. In a non-Newtonian fluid, there is a non-linear relationship between a shearing stress (often represented by the symbol τ in technical literature) and a shear rate (often represented by the symbol γ̇ in technical literature) of the liquid. To put it simply: A viscosity (thickness, often represented by the symbol η in the technical literature) of the non-Newtonian liquid increases or decreases with continuous shear stress or a constant change in shear stress. Where viscosities are compared herein, the terms "lower viscosity" and "higher viscosity" are to be considered relative to one another. A first viscosity state characterizes a state of the cooling liquid in which the viscosity of the cooling liquid is and remains stable, ie for example a state of rest of the cooling liquid. The cooling liquid always begins to strive towards the first viscosity state as soon as it is not (or no longer) subjected to shear stress or to a lesser shear stress. A second viscosity state characterizes another state of the cooling liquid to which or towards which the cooling liquid begins to strive whenever it is subjected to a shear stress and/or a shear stress change. It may be that the cooling liquid only fully reaches the first viscosity state or resting state after a resting phase. A sudden transition between the viscosity states is also conceivable. According to the invention, in the event of a crash or fault, the coolant is used for the physical and thermal protection of the battery cells and their periphery.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist die Kühlflüssigkeit der Batterie dazu ausgebildet, in dem ersten Viskositätszustand niedrigerviskos (als Verständnisbeispiel: zum Beispiel wie Wasser) die Batteriezellanordnung zu umspülen. Die Kühlflüssigkeit fungiert also in dem ersten Viskositätszustand hauptsächlich oder vollständig als Konditionierungsflüssigkeit, um die Batteriezellanordnung zu kühlen und/oder zu erwärmen, um eine Betriebstemperatur der Batteriezellanordnung auf ein optimales Niveau zu bringen oder dort zu halten. Der erste Viskositätszustand der Kühlflüssigkeit liegt insbesondere in einem Normalbetrieb der Batterie bzw. des mit der Batterie ausgerüsteten Kraftfahrzeugs vor, wobei die Kühlflüssigkeit bei gängigen Betriebstemperaturen und -drücken niedrigerviskos durch einen Kühlkreislauf gepumpt wird, um die Kühlung/Erwärmung der Batteriezellanordnung darzustellen.According to a first aspect of the invention, the cooling liquid of the battery is designed to flow around the battery cell arrangement in the first viscosity state with a lower viscosity (as an example of understanding: for example like water). In the first viscosity state, the cooling liquid therefore functions primarily or entirely as a conditioning liquid in order to cool and/or heat the battery cell arrangement in order to bring an operating temperature of the battery cell arrangement to an optimum level or to keep it there. The first viscosity state of the coolant is present in particular during normal operation of the battery or of the motor vehicle equipped with the battery, with the coolant being pumped through a cooling circuit at a lower viscosity at common operating temperatures and pressures in order to cool/heat the battery cell arrangement.
Da es sich - wie schon erwähnt - bei der Kühlflüssigkeit um ein nichtnewtonsches Fluid handelt, kann sich der Viskositätszustand der Kühlflüssigkeit ändern. Die Kühlflüssigkeit nimmt den zweiten Viskositätszustand an, in welchem die Kühlflüssigkeit aufgrund einer Scherbelastung im Vergleich zum ersten Viskositätszustand höherviskos (also viskoser/zähflüssiger als Wasser) ist oder wird. Die Kühlflüssigkeit nimmt zum Beispiel aufgrund einer Crashbelastung den zweiten Viskositätszustand an. Somit ist oder wird mittels der Kühlflüssigkeit im Crashfall ein Dämpfungselement im Inneren des Gehäuses für die Batteriezellanordnung gebildet. Das bedeutet, dass die nichtnewtonsche Kühlflüssigkeit zumindest im Crashfall als ein Sicherheitselement für die Batterie, insbesondere für die Batteriezellanordnung fungiert. Beispielsweise wirkt die Kühlflüssigkeit als ein Versteifungselement, wenn sie aufgrund des Unfalls bzw. Crashs einer Scherbelastung oder Scherbelastungsänderung unterworfen wird. Beim Crash oder während des Crashs nimmt die Viskosität der Kühlflüssigkeit zu, das heißt, die Kühlflüssigkeit wird viskoser bzw. zähflüssiger. Hierdurch erhöht sich ein strömungsmechanischer Widerstand, zum Beispiel ein einer Verdrängung der Kühlflüssigkeit entgegenwirkender Widerstand, der von der Batteriezellanordnung überwunden werden muss, um durch die Kühlflüssigkeit hindurchbewegt werden zu können. Somit wird die Batteriezellanordnung im Inneren des Gehäuses gebremst und/oder gedämpft, wenn sie aufgrund der durch den Unfall auf sie wirkenden Beschleunigungen in Bezug zu dem Gehäuse bewegt oder beschleunigt wird, das heißt durch die Kühlflüssigkeit hindurchbewegt wird.Since - as already mentioned - the cooling liquid is a non-Newtonian fluid, the viscosity of the cooling liquid can change. The cooling liquid assumes the second viscosity state, in which the cooling liquid is or becomes more viscous (ie more viscous/viscous than water) compared to the first viscosity state due to a shearing load. The coolant assumes the second viscosity state, for example due to a crash load. Thus, in the event of a crash, a damping element is or will be formed in the interior of the housing for the battery cell arrangement by means of the coolant. This means that the non-Newtonian coolant acts as a safety element for the battery, in particular for the battery cell arrangement, at least in the event of a crash. For example, the coolant acts as a stiffening member when subjected to shear stress or shear stress change due to the crash. In the event of a crash or during the crash, the viscosity of the cooling liquid increases, ie the cooling liquid becomes more viscous or viscous. This increases a flow-mechanical resistance, for example a resistance counteracting displacement of the cooling liquid, which has to be overcome by the battery cell arrangement in order to be able to move through the cooling liquid. The battery cell arrangement is thus braked and/or dampened inside the housing when it is moved or accelerated in relation to the housing due to the accelerations acting on it as a result of the accident, that is to say is moved through the coolant.
Indem die Kühlflüssigkeit im Inneren der Batterie bzw. im Inneren des Gehäuses als das Dämpfungselement wirkt, das lediglich bedarfsgerecht, das heißt in Abhängigkeit eines Unfalls, erzeugt wird oder ist bzw. sich versteift, kann die Batterie insgesamt besonders masseeffizient ausgebildet werden. Denn eine herkömmliche Crashstruktur im Inneren des Gehäuses oder als Teil des Gehäuses kann leichter ausgebildet werden, da die Kühlflüssigkeit die Absorption der durch einen Unfall erzeugten Bewegungsenergie zumindest unterstützt oder zumindest größtenteils übernimmt. Hierdurch ist eine besonders masseeffiziente Batterie bereitgestellt, die besonders crashsicher ist. Dies führt dazu, dass ein mit der Batterie ausgerüstetes Kraftfahrzeug besonders masseeffizient und dadurch besonders energieeffizient und emissionsarm betreibbar ist.Since the cooling liquid inside the battery or inside the housing acts as the damping element, which is or is only generated or stiffened as required, ie depending on an accident, the battery can be made particularly mass-efficient overall. This is because a conventional crash structure inside the housing or as part of the housing can be made lighter, since the cooling liquid at least supports or at least largely takes over the absorption of the kinetic energy generated by an accident. This provides a particularly mass-efficient battery that is particularly crash-proof. As a result, a motor vehicle equipped with the battery can be operated in a particularly mass-efficient manner and, as a result, in a particularly energy-efficient and low-emission manner.
In einer möglichen Weiterbildung der Batterie ist die nichtnewtonsche Kühlflüssigkeit zumindest teilweise rheopex. Das bedeutet, dass die Kühlflüssigkeit derart ausgebildet ist, dass deren Viskosität unter andauernder Scherbelastung zunimmt. Die Kühlflüssigkeit geht also bei Scherbelastung aus dem ersten, niedrigerviskosen Viskositätszustand rheopex in den zweiten, höherviskosen Viskositätszustand über. Entfällt die Scherbelastung, geht die Kühlflüssigkeit von dem ersten, höherviskosen Viskositätszustand rheopex (wieder) in den zweiten, niedrigerviskosen Viskositätszustand über. Hierzu kann die Kühlflüssigkeit zum Beispiel eine feste, gasförmige oder flüssige Komponente aufweisen, die der Kühlflüssigkeit die Rheopexie verleiht. Kommt es also - etwa aufgrund des Unfalls - zu einer Scherbelastung, der die Kühlflüssigkeit unterworfen ist oder wird, wird sie zähflüssiger, sodass ein Bewegen der Batteriezellanordnung in Bezug zu dem Gehäuse (also im Inneren des Gehäuses) gebremst wird. Dadurch wird wirksam verhindert, dass die Batteriezellanordnung übermäßigen Schaden nimmt, insbesondere, dass einzelne Batteriezellen übermäßig deformiert werden, etwa brechen, indem sie auf eine Innenwand des Gehäuses ungebremst aufprallen. Die Gefahr eines thermischen Durchgehens und dessen Fortpflanzung wird durch die Batterie mit der nichtnewtonschen Kühlflüssigkeit maßgeblich entgegengewirkt.In a possible development of the battery, the non-Newtonian coolant is at least partially rheopex. This means that the coolant is designed in such a way that its viscosity increases under continuous shearing stress. Under shear stress, the cooling liquid therefore changes from the first, lower-viscosity rheopex viscosity state to the second, higher-viscosity viscosity state. If there is no shear stress, the cooling liquid changes from the first, higher-viscosity rheopex viscosity state (again) to the second, lower-viscosity viscosity state. For this purpose, the coolant can have, for example, a solid, gaseous or liquid component that gives the coolant the rheopexy. If, for example, due to the accident, there is a shearing load to which the coolant is or will be subjected, it becomes more viscous, so that movement of the battery cell arrangement in relation to the housing (ie inside the housing) is slowed down. This effectively prevents the battery cell arrangement from being excessively damaged, in particular individual battery cells being excessively deformed, for example breaking by impacting an inner wall of the housing without braking. The risk of thermal runaway and its propagation is significantly counteracted by the battery with the non-Newtonian coolant.
Einer weiteren möglichen Ausführungsform der Batterie zufolge ist die nichtnewtonsche Kühlflüssigkeit zumindest teilweise dilatant. Das bedeutet, dass die Kühlflüssigkeit derart ausgebildet ist, dass deren Viskosität unter andauernder Scherbelastungsänderung zunimmt. Die Kühlflüssigkeit geht also bei Scherbelastungsänderung aus dem ersten, niedrigerviskosen Viskositätszustand dilatant in den zweiten, höherviskosen Viskositätszustand über. Entfällt die Scherbelastungsändeurng, geht die Kühlflüssigkeit von dem ersten, höherviskosen Viskositätszustand dilatant (wieder) in den zweiten, niedrigerviskosen Viskositätszustand über. Hierzu kann die Kühlflüssigkeit zum Beispiel eine feste, gasförmige oder flüssige Komponente aufweisen, die der Kühlflüssigkeit die Dilatanz verleiht. Kommt es also - etwa aufgrund des Unfalls - zu einer Scherbelastungsänderung, der die Kühlflüssigkeit unterworfen ist oder wird, wird sie zähflüssiger. Dabei kann zum Beispiel ein Unfall, bei dem auf das Kraftfahrzeug und infolgedessen auf die Batterie viele unterschiedlich starke Beschleunigungen, die zeitlich regelmäßig oder unregelmäßig auftreten und/oder viele Richtungsänderungen aufweisen, Ursache für die Scherbelastungsänderungen sein. Dies ist zum Beispiel bei einem Schleudern, einem Überschlagen, einem Mehrfachaufprall, einem Sekundärunfall etc. des Kraftfahrzeugs der Fall. Durch die dilatante Kühlflüssigkeit wird bei diesen komplexen Unfallhergängen, ein Bewegen der Batteriezellanordnung in Bezug zu dem Gehäuse (also im Inneren des Gehäuses) gebremst. Dadurch wird selbst bei hochkomplexen Unfällen, bei denen das Kraftfahrzeug bzw. die Batterie vielen, eventuell unregelmäßigen Beschleunigungen unterworfen ist/wird, wirksam verhindert, dass die Batteriezellanordnung solchen Schaden nimmt, dass Batteriezellen brechen, indem sie auf eine Innenwand des Gehäuses ungebremst aufprallen. According to another possible embodiment of the battery, the non-Newtonian coolant is at least partially dilatant. This means that the cooling liquid is designed in such a way that its viscosity increases as the shear load changes over time. When there is a change in shearing stress, the cooling liquid therefore changes dilatantly from the first, lower-viscosity viscosity state to the second, higher-viscosity viscosity state. If there is no change in the shearing stress, the coolant changes dilatantly (again) from the first, higher-viscosity viscosity state to the second, lower-viscosity viscosity state. For this purpose, the coolant can have, for example, a solid, gaseous or liquid component that gives the coolant the dilatancy. If there is a change in the shearing load - for example as a result of the accident - to which the coolant is or will be subjected, it becomes more viscous. For example, an accident in which the motor vehicle and consequently the battery are subjected to many different accelerations, which occur regularly or irregularly over time and/or have many changes in direction, can be the cause of the changes in shear stress. This is the case, for example, when the motor vehicle skids, rolls over, multiple impacts, a secondary accident, etc. Due to the dilatant cooling liquid, a movement of the battery cell arrangement in relation to the housing (that is, inside the housing) is slowed down in these complex accident scenarios. Even in highly complex accidents in which the motor vehicle or the battery is/is subjected to many, possibly irregular accelerations, this effectively prevents the battery cell arrangement from being damaged to such an extent that battery cells break by hitting an inner wall of the housing without braking.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ist die Kühlflüssigkeit der Batterie dazu ausgebildet, in dem ersten Viskositätszustand höherviskos (als Verständnisbeispiel: zum Beispiel wie Wasser) die Batteriezellanordnung zu umspülen. Die Kühlflüssigkeit fungiert also in dem ersten Viskositätszustand hauptsächlich oder vollständig als Konditionierungsflüssigkeit, um die Batteriezellanordnung zu kühlen und/oder zu erwärmen, um eine Betriebstemperatur der Batteriezellanordnung auf ein optimales Niveau zu bringen oder dort zu halten. Der erste Viskositätszustand der Kühlflüssigkeit liegt insbesondere in einem Normalbetrieb der Batterie bzw. des mit der Batterie ausgerüsteten Kraftfahrzeugs vor, wobei die Kühlflüssigkeit bei gängigen Betriebstemperaturen und -drücken höherviskos durch einen Kühlkreislauf gepumpt wird, um die Kühlung/Erwärmung der Batteriezellanordnung darzustellen.According to a second aspect of the invention, the coolant of the battery is designed to flow around the battery cell arrangement in the first viscosity state with a higher viscosity (as an example of understanding: for example like water). In the first viscosity state, the cooling liquid therefore functions primarily or entirely as a conditioning liquid in order to cool and/or heat the battery cell arrangement in order to bring an operating temperature of the battery cell arrangement to an optimum level or to keep it there. The first viscosity state of the coolant is present in particular during normal operation of the battery or of the motor vehicle equipped with the battery, with the coolant being pumped through a cooling circuit at a higher viscosity at common operating temperatures and pressures in order to cool/heat the battery cell arrangement.
Die Kühlflüssigkeit nimmt den zweiten Viskositätszustand an, in welchem die Kühlflüssigkeit aufgrund einer Scherbelastung im Vergleich zum ersten Viskositätszustand niedrigerviskos (also weniger viskos bzw. dünnflüssiger als Wasser) ist oder wird. Die Scherbelastung kann zum Beispiel durch geeignetes Steuern eines Pumpendrucks, mit dem die Kühlflüssigkeit durch die Batterie gepumpt wird, erfolgen. Dadurch wird der Flüssigkeitsdruck der Kühlflüssigkeit erhöht. Die Viskosität der Kühlflüssigkeit nimmt also ab, wenn die Kühlflüssigkeit der Flüssigkeitsdruckerhöhung unterworfen ist/wird. Aus den genannten Eigenschaften der Kühlflüssigkeit resultiert, dass bei der Flüssigkeitsdruckerhöhung ein höherer Kühlflüssigkeitsmassenstrom nutzbar ist, um die Batteriezellanordnung zu kühlen. Liegt also ein im Vergleich zum Normalbetrieb erhöhter Kühlleistungsbedarf vor, kann die Flüssigkeitsdruckerhöhung eingesetzt werden, um einen gegenüber dem Normalbetrieb erhöhten Kühlflüssigkeitsmassenstrom für die Kühlung der Batteriezellanordnung nutzbar zu machen, obwohl eine Gesamtmenge der Kühlflüssigkeit im Gesamtsystem der Batterie gleichbleibt. Es kann zum Beispiel vorgesehen sein, unter, vor und/oder nach einem Unfall, den Pumpendruck so zu steuern bzw. zu regeln, dass der Flüssigkeitsdruck der Kühlflüssigkeit erhöht wird, um eine möglichst hohe Kühlleistung für die Batteriezellenanordnung bereitzustellen. Hierdurch kann beispielsweise eine durch ein thermisches Durchgehen einer oder mehr der Batteriezellen freigesetzte Wärme mittels der Kühlflüssigkeit abgeführt werden, sodass einem Fortpflanzen des thermischen Durchgehens auf eine oder mehr der anderen Batteriezellen wirksam entgegengewirkt wird, sofern ein Kühlflüssigkeitskreislauf und eine zugehörige Pumpe noch funktionstüchtig sind. The cooling liquid assumes the second viscosity state, in which the cooling liquid is or becomes less viscous than the first viscosity state (ie less viscous or more fluid than water) due to a shearing load. For example, the shear stress can be applied by suitably controlling a pump pressure with which the cooling liquid is pumped through the battery. This increases the liquid pressure of the cooling liquid. Thus, the viscosity of the cooling liquid decreases when the cooling liquid is subjected to the liquid pressure increase. From the The properties of the cooling liquid mentioned result in the fact that when the liquid pressure is increased, a higher cooling liquid mass flow can be used in order to cool the battery cell arrangement. If there is an increased cooling capacity requirement compared to normal operation, the increase in liquid pressure can be used to make use of an increased coolant mass flow compared to normal operation for cooling the battery cell arrangement, although the total amount of coolant in the overall battery system remains the same. It can be provided, for example, under, before and/or after an accident, to control or regulate the pump pressure in such a way that the liquid pressure of the cooling liquid is increased in order to provide the highest possible cooling capacity for the battery cell arrangement. In this way, for example, heat released by a thermal runaway of one or more of the battery cells can be dissipated by means of the coolant, so that propagation of the thermal runaway to one or more of the other battery cells is effectively counteracted, provided a coolant circuit and an associated pump are still functional.
Ferner unterstützt die nichtnewtonsche Kühlflüssigkeit eine besonders masseeffiziente Konstruktion der Batterie, da die Viskosität der Kühlflüssigkeit bedarfsgerecht - natürlich auch in einem Betrieb des Kraftfahrzeugs, in welchem es keinem Unfall, Pre- und/oder Post-Crash-Maßnahmen unterworfen ist - eingestellt werden kann. Besteht zum Beispiel der Bedarf nach einer nur geringen Kühlleistung, etwa um die Batterie zu erwärmen, um zu einer besonders bevorzugten Betriebstemperatur für die Batterie oder die Batteriezellen zu gelangen, kann vorgesehen sein, dass die Kühlflüssigkeit mit einem Flüssigkeitsdruck gepumpt wird, in dem die Kühlflüssigkeit höherviskos durch die Batteriezellanordnung strömt. Besteht dahingegen der Bedarf nach einer höheren Kühlleistung, etwa in einem Ladebetrieb der Batterie, kann vorgesehen sein, dass die Kühlflüssigkeit mit einem Flüssigkeitsdruck gepumpt wird, in dem die Kühlflüssigkeit niedrigerviskos durch die Batteriezellanordnung strömt.Furthermore, the non-Newtonian coolant supports a particularly mass-efficient design of the battery, since the viscosity of the coolant can be adjusted as required - naturally also when the motor vehicle is operated in which it is not subjected to any accident, pre- and/or post-crash measures. If, for example, there is a need for only a low cooling capacity, for example to heat the battery in order to reach a particularly preferred operating temperature for the battery or the battery cells, it can be provided that the cooling liquid is pumped with a liquid pressure in which the cooling liquid flows through the battery cell arrangement with higher viscosity. If, on the other hand, there is a need for a higher cooling capacity, for example when the battery is being charged, it can be provided that the cooling liquid is pumped at a liquid pressure in which the cooling liquid flows through the battery cell arrangement with a lower viscosity.
Somit lässt sich eine Kühlleistung für die Batterie besonders effizient bedarfsgerecht einstellen, wobei - verglichen mit einer herkömmlichen newtonschen Kühlflüssigkeit - insgesamt eine geringere Kühlflüssigkeitsmenge im Gesamtsystem erforderlich ist, da zum Bereitstellen des erhöhten Kühlflüssigkeitsmassenstroms für eine stärkere Kühlleistung ebenso viel Kühlflüssigkeitsmasse im Gesamtsystem erforderlich ist, wie zum Bereitstellen der niedrigeren Kühlleistung. Bei herkömmlichen newtonschen Kühlflüssigkeiten muss die Kühlflüssigkeitsmasse einer maximal möglichen Kühlleistungsanforderung entsprechen, was zu einer besonders hohen Masse an herkömmlicher Kühlflüssigkeit führt. Somit trägt die nichtnewtonsche Kühlflüssigkeit zu einer vorteilhaft besonders hohen Crashsicherheit und dabei zu einer besonders masseeffizient ausgebildeten Batterie bei.A cooling capacity for the battery can thus be set particularly efficiently as required, with--compared to a conventional Newtonian coolant--a lower quantity of coolant overall being required in the overall system, since the same amount of coolant mass in the overall system is required to provide the increased coolant mass flow for a greater cooling capacity to provide the lower cooling capacity. With conventional Newtonian cooling liquids, the cooling liquid mass must correspond to a maximum possible cooling performance requirement, which leads to a particularly high mass of conventional cooling liquid. The non-Newtonian coolant thus contributes to an advantageously particularly high level of crash safety and, at the same time, to a battery that is designed to be particularly mass-efficient.
Gemäß einer möglichen Weiterbildung der Batterie ist die nichtnewtonsche Kühlflüssigkeit zumindest teilweise thixotrop. Das bedeutet, dass die Kühlflüssigkeit derart ausgebildet ist, dass deren Viskosität unter andauernder Scherbelastung abnimmt. Die Kühlflüssigkeit geht also bei Scherbelastung aus dem ersten, höherviskosen Viskositätszustand thixotrop in den zweiten, niedrigerviskosen Viskositätszustand über. Entfällt die Scherbelastung, geht die Kühlflüssigkeit von dem zweiten, niedrigerviskosen Viskositätszustand thixotrop (wieder) in den ersten, höherviskosen Viskositätszustand über. Hierzu kann die Kühlflüssigkeit zum Beispiel eine feste, gasförmige oder flüssige Komponente aufweisen, die der Kühlflüssigkeit die Thixotropie verleiht. Kommt es also - etwa aufgrund des Unfalls oder durch eine entsprechende Steuerung des Flüssigkeitsdrucks - zu einer Scherbelastung, der die Kühlflüssigkeit unterworfen ist oder wird, wird sie dünnflüssiger, sodass sie die Batteriezellanordnung niedrigerviskos umspült. Zum einen können der erste und der zweite Viskositätszustand der Kühlflüssigkeit besonders einfach eingestellt werden. Zum anderen wird die Wärmeabfuhr bzw. Kühlleistung bedarfsgerecht erhöht, wodurch einer unerwünschten Überhitzung der Batteriezellen entgegengewirkt wird. Im Falle eines Crashs wird so einer Gefahr eines thermischen Durchgehens und dessen Fortpflanzung maßgeblich entgegengewirkt.According to a possible development of the battery, the non-Newtonian coolant is at least partially thixotropic. This means that the coolant is designed in such a way that its viscosity decreases under continuous shearing stress. Under shear stress, the cooling liquid therefore changes thixotropically from the first, higher-viscosity viscosity state to the second, lower-viscosity viscosity state. If there is no shearing stress, the coolant changes (again) from the second, lower-viscosity viscosity state thixotropically into the first, higher-viscosity viscosity state. For this purpose, the cooling liquid can have, for example, a solid, gaseous or liquid component which gives the cooling liquid its thixotropy. If, for example, due to the accident or due to a corresponding control of the liquid pressure, there is a shearing load to which the cooling liquid is or will be subjected, it becomes thinner so that it washes around the battery cell arrangement with a lower viscosity. On the one hand, the first and the second viscosity state of the cooling liquid can be set particularly easily. On the other hand, the heat dissipation or cooling capacity is increased as required, which counteracts unwanted overheating of the battery cells. In the event of a crash, the risk of thermal runaway and its propagation is counteracted to a large extent.
In einer weiteren Ausführungsform der Batterie ist die nichtnewtonsche Kühlflüssigkeit zumindest teilweise pseudoplastisch bzw. strukturviskos oder scherverdünnend. Das bedeutet, dass die Kühlflüssigkeit derart ausgebildet ist, dass deren Viskosität unter andauernder Scherbelastungsänderung abnimmt. Die Kühlflüssigkeit geht also bei Scherbelastungsänderung aus dem ersten, höherviskosen Viskositätszustand pseudoplastisch in den zweiten, niedrigerviskosen Viskositätszustand über. Entfällt die Scherbelastungsänderung, geht die Kühlflüssigkeit von dem zweiten, niedrigerviskosen Viskositätszustand pseudoplastisch (wieder) in den ersten, höherviskosen Viskositätszustand über. Hierzu kann die Kühlflüssigkeit zum Beispiel eine feste, gasförmige oder flüssige Komponente aufweisen, die der Kühlflüssigkeit die Pseudoplastizität bzw. Strukturviskosität verleiht. Kommt es also - etwa aufgrund des Unfalls oder durch eine entsprechende Steuerung des Flüssigkeitsdrucks - zu einer Scherbelastung, der die Kühlflüssigkeit unterworfen ist oder wird, wird sie dünnflüssiger, sodass sie die Batteriezellanordnung niedrigerviskos umspült. Dabei kann zum Beispiel ein Unfall, bei dem auf das Kraftfahrzeug und infolgedessen auf die Batterie viele unterschiedlich starke Beschleunigungen, die zeitlich regelmäßig oder unregelmäßig auftreten und/oder viele Richtungsänderungen aufweisen, Ursache für die Scherbelastungsänderungen sein. Dies ist zum Beispiel bei einem Schleudern, einem Überschlagen, einem Mehrfachaufprall, einem Sekundärunfall etc. des Kraftfahrzeugs der Fall. Durch die pseudoplastische Kühlflüssigkeit wird bei diesen komplexen Unfallhergängen, die Batteriezellanordnung im Inneren des Gehäuses niedrigerviskos umspült und dadurch besonders effizient entwärmt. Dadurch wird selbst bei hochkomplexen Unfällen, bei denen das Kraftfahrzeug bzw. die Batterie vielen, eventuell unregelmäßigen Beschleunigungen unterworfen ist/wird, einer Überhitzung der Batteriezellen effizient entgegengewirkt.In a further embodiment of the battery, the non-Newtonian cooling liquid is at least partially pseudoplastic or pseudoplastic or shear-thinning. This means that the cooling liquid is designed in such a way that its viscosity decreases as the shear load changes over time. When there is a change in shearing stress, the cooling liquid therefore changes pseudoplastically from the first, higher-viscosity viscosity state to the second, lower-viscosity viscosity state. If there is no change in the shear stress, the cooling liquid changes pseudoplastically (again) from the second, lower-viscosity viscosity state to the first, higher-viscosity viscosity state. For this purpose, the coolant can have, for example, a solid, gaseous or liquid component that gives the coolant its pseudoplasticity or structural viscosity. If, for example, due to the accident or due to a corresponding control of the liquid pressure, there is a shearing load to which the cooling liquid is or will be subjected, it becomes thinner so that it washes around the battery cell arrangement with a lower viscosity. For example, an accident in which the motor vehicle zeug and as a result many different accelerations on the battery, which occur regularly or irregularly over time and/or have many changes in direction, can be the cause of the changes in shear stress. This is the case, for example, when the motor vehicle skids, rolls over, multiple impacts, a secondary accident, etc. Due to the pseudoplastic coolant, the battery cell arrangement inside the housing is washed around with low viscosity in these complex accident scenarios and is therefore particularly efficiently heated. This efficiently counteracts overheating of the battery cells even in highly complex accidents in which the motor vehicle or the battery is/is subjected to many, possibly irregular, accelerations.
Ganz gleich, ob die nichtnewtonsche Kühlflüssigkeit der Batterie rheopexe, dilatante, thixotrope oder pseudoplastische Eigenschaften aufweist, ist in einer Weiterbildung der Batterie vorgesehen, dass die Kühlflüssigkeit einen Wärmeübergangskoeffizienten und eine spezifische Wärmekapazität aufweist, die so bemessen sind, dass die Wärme, die bei einem thermischen Durchgehen von wenigstens einer der Batteriezellen oder von einer vorgegebenen Anzahl an Batteriezellen der Batteriezellanordnung frei wird, so schnell und in einem Maße aufgenommen werden kann, dass ein Fortpflanzen des thermischen Durchgehens maßgeblich verlangsamt, idealerweise gestoppt wird. Hierzu kann die Kühlflüssigkeit eine feste, gasförmige oder flüssige Komponente aufweisen, die der Kühlflüssigkeit den entsprechenden Wärmeübergangskoeffizienten und die entsprechende spezifische Wärmekapazität verleiht. Damit wird eine Sicherheit der Batterie mittels der Kühlflüssigkeit in vorteilhafter Weise noch weiter erhöht.Irrespective of whether the non-Newtonian cooling liquid in the battery has rheopexic, dilatant, thixotropic or pseudoplastic properties, a further development of the battery provides for the cooling liquid to have a heat transfer coefficient and a specific heat capacity which are dimensioned in such a way that the heat generated at a thermal runaway of at least one of the battery cells or of a predetermined number of battery cells of the battery cell arrangement is released, can be recorded so quickly and to such an extent that propagation of the thermal runaway is significantly slowed down, ideally stopped. For this purpose, the coolant can have a solid, gaseous or liquid component that gives the coolant the appropriate heat transfer coefficient and the appropriate specific heat capacity. In this way, the safety of the battery is advantageously further increased by means of the cooling liquid.
Eine weitere mögliche Ausführungsform der Batterie - egal, ob die nichtnewtonsche Kühlflüssigkeit der Batterie rheopexe, dilatante, thixotrope oder pseudoplastische Eigenschaften aufweist - sieht vor, dass es sich bei der nichtnewtonschen Kühlflüssigkeit um eine Kühlflüssigkeit für ein elektrisch und fluidisch mit der Batterie verbundenes Aggregat des Kraftfahrzeugs handelt. Dementsprechend fungiert die Kühlflüssigkeit in einem Betrieb der Batterie sowohl zum Kühlen der Batteriezellanordnung als auch zum Kühlen des Aggregats. Das Aggregat und die Batterie sind zur Übertragung von elektrischer Energie elektrisch miteinander verbunden oder verbindbar. Zudem sind sowohl die Batterie als auch das Aggregat in einen gemeinsamen Kühlflüssigkeitskreislauf integriert. Somit werden die Batterie, insbesondere deren Batteriezellpaket, und das Aggregat mittels desselben Kühlflüssigkeitskreislaufs, jedenfalls mittels derselben Kühlflüssigkeit, gekühlt. Somit sind nicht mehrere Flüssigkeiten separat voneinander vorzusehen, um die Batterie und wenigstens ein weiteres Aggregat effizient zu kühlen. Dadurch wird der Masseersparnisvorteil noch weiter verstärkt. Des Weiteren gelten die Vorteile des nichtnewtonschen Fluids für das Aggregat, das zumindest im Betrieb von der Kühlflüssigkeit durchströmt wird, zumindest analog: Eine Crashsicherheit ist vorteilhaft besonders hoch, wenn mittels des nichtnewtonschen Fluids ein Bauelement in einem Aggregatgehäuse hinsichtlich seiner unfallbedingten Beschleunigung gedämpft wird. Alternativ oder zusätzlich kann eine Kühlung des entsprechenden Bauelements bedarfsgerecht eingestellt werden.Another possible embodiment of the battery - regardless of whether the non-Newtonian coolant of the battery has rheopexic, dilatant, thixotropic or pseudoplastic properties - provides that the non-Newtonian coolant is a coolant for a motor vehicle unit that is electrically and fluidically connected to the battery acts. Accordingly, when the battery is in operation, the coolant acts both to cool the battery cell arrangement and to cool the assembly. The unit and the battery are electrically connected or can be connected to one another for the transmission of electrical energy. In addition, both the battery and the unit are integrated into a common coolant circuit. The battery, in particular its battery cell pack, and the assembly are thus cooled by means of the same cooling liquid circuit, at least by means of the same cooling liquid. Thus, several liquids do not have to be provided separately from one another in order to efficiently cool the battery and at least one other unit. This further enhances the mass saving benefit. Furthermore, the advantages of the non-Newtonian fluid for the unit, through which the coolant flows at least during operation, apply at least analogously: crash safety is advantageously particularly high if the non-Newtonian fluid is used to dampen a component in a unit housing with regard to its acceleration caused by an accident. Alternatively or additionally, cooling of the corresponding component can be adjusted as required.
Bei dem Aggregat handelt es sich insbesondere um einen elektromechanischen Wandler, etwa einen Traktionsmotor, der dazu ausgebildet ist, durch die Batterie bereitgestellte elektrische Energie in eine Bewegungsenergie zum Fortbewegen des Kraftfahrzeugs umzuwandeln. Eine Rotorkammer des Traktionsmotors kann im Betrieb von der Kühlflüssigkeit durchströmt werden, was bedeutet, dass die Rotorkammer in den Kühlflüssigkeitskreislauf der Batterie integriert ist oder an diesen fluidisch angeschlossen ist. Weitere Beispiele für das Aggregat sind (nicht abschließend):
- - ein Kühlkreislauf einer Verbrennungskraftmaschine,
- - ein Kältemittelkreislauf einer Innenraumklimatisierungseinrichtung,
- - ein Kühlkreislauf einer elektrischen Invertervorrichtung.
- - a cooling circuit of an internal combustion engine,
- - a refrigerant circuit of an interior air conditioning device,
- - a cooling circuit of an electric inverter device.
Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zum Betreiben einer gemäß der vorstehenden Beschreibung ausgebildeten Batterie. Dabei wird eine Batteriezellanordnung der Batterie mit der nichtnewtonschen Kühlflüssigkeit umströmt, die aufgrund der Scherbelastung aus dem ersten Viskositätszustand in den zweiten Viskositätszustand strebt. Durch den ersten Viskositätszustand wird eine Viskosität der Kühlflüssigkeit charakterisiert, die sich von einer anderen, durch den zweiten Viskositätszustand charakterisierten Viskosität der Kühlflüssigkeit unterscheidet.The invention also relates to a method for operating a battery designed according to the above description. In this case, a battery cell arrangement of the battery is flowed around by the non-Newtonian cooling liquid which, due to the shearing stress, tends to move from the first viscosity state to the second viscosity state. The first viscosity state characterizes a viscosity of the cooling liquid that differs from another viscosity of the cooling liquid that is characterized by the second viscosity state.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Kraftfahrzeug, das eine gemäß der vorstehenden Beschreibung ausgebildete Batterie aufweist. Bei dem Kraftfahrzeug handelt es sich um einen zumindest teilweise elektrisch antreibbaren Personenkraftwagen und/oder Lastkraftwagen oder um ein Kraftrad.The invention also relates to a motor vehicle that has a battery designed in accordance with the above description. The motor vehicle is an at least partially electrically driven passenger car and/or truck or a motorcycle.
Weitere Merkmale der Erfindung können sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung ergeben. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung und/oder in den Figuren allein gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.Further features of the invention can result from the claims, the figures and the description of the figures. The features and feature combinations mentioned above in the description as well as those in the figures below Features and feature combinations shown alone in the description and/or in the figures can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or on their own, without departing from the scope of the invention.
Die Zeichnung zeigt in:
-
1 eine schematische Seitenansicht eines Kraftfahrzeugs, das eine Batterie mit einer nichtnewtonschen Kühlflüssigkeit aufweist; -
2 zur Verdeutlichung der nichtnewtonschen Eigenschaften der Kühlflüssigkeit ein erstes Diagramm; und -
3 zur Verdeutlichung der nichtnewtonschen Eigenschaften der Kühlflüssigkeit ein zweites Diagramm.
-
1 a schematic side view of a motor vehicle having a battery with a non-Newtonian coolant; -
2 a first diagram to illustrate the non-Newtonian properties of the coolant; and -
3 a second diagram to illustrate the non-Newtonian properties of the coolant.
In den Figuren sind gleiche und funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Im Folgenden werden eine Batterie 1, 2 und ein die Batterie 1, 2 aufweisendes Kraftfahrzeug 3 sowie ein Verfahren zum Betreiben der Batterie 1, 2 in gemeinsamer Beschreibung dargelegt.In the figures, identical and functionally identical elements are provided with the same reference symbols. A battery 1, 2 and a motor vehicle 3 having the battery 1, 2 as well as a method for operating the battery 1, 2 are presented in a joint description below.
Hierzu zeigt
Die Kühlflüssigkeit 4 weist einen Wärmeübergangskoeffizienten und eine spezifische Wärmekapazität auf, die so bemessen sind, dass Wärme, die bei einem thermischen Durchgehen von Batteriezellen 7 der Batteriezellanordnung 6 frei wird, so schnell und in einem Maße aufgenommen werden kann, dass ein Fortpflanzen des thermischen Durchgehens gestoppt wird. Anders ausgedrückt: Die Kühlflüssigkeit 4 wird so bereitgestellt, das heißt ausgewählt oder hergestellt oder angemischt, dass sie den Wärmeübergangskoeffizienten und die spezifische Wärmekapazität aufweist, die erforderlich sind, um viel genug Wärme schnell genug aufzunehmen, damit das thermische Durchgehen zumindest maßgeblich verlangsamt, insbesondere vollständig gestoppt wird.The cooling
Aufgrund einer Scherbelastung strebt die Kühlflüssigkeit 4 aus einem ersten Viskositätszustand in einen zweiten Viskositätszustand. Durch den ersten Viskositätszustand wird eine Viskosität der Kühlflüssigkeit 4 charakterisiert, die sich von einer anderen, durch den zweiten Viskositätszustand charakterisierten Viskosität der Kühlflüssigkeit 4 unterscheidet. Bezogen auf den ersten Viskositätszustand, der einen Ruhezustand der Kühlflüssigkeit 4 darstellen kann, ist die Viskosität der Kühlflüssigkeit 4 im zweiten Viskositätszustand höher oder niedriger. Da es sich bei der Kühlflüssigkeit 4 um ein nichtnewtonsches Fluid handelt, erfolgt der Übergang zwischen den Viskositätszuständen bzw. das Hinstreben zu oder in den jeweiligen Viskositätszustand basierend auf einem nichtlinearen Zusammenhang zwischen einer Scherspannung τ und einer Schergeschwindigkeit γ̇.Because of a shearing load, the
Die nichtnewtonschen Kühlflüssigkeit 4 der Batterie 1 weist vorliegend im ersten Viskositätszustand eine niedrigere Viskosität auf als im zweiten Viskositätszustand. Dadurch wird die Batteriezellanordnung 6 von der den ersten Viskositätszustand aufweisenden Kühlflüssigkeit niedrigviskos umspült. Beispielsweise aufgrund eines Unfalls, in den das die Batterie 1 aufweisende Kraftfahrzeug 3 verwickelt ist, erfährt die Kühlflüssigkeit 4 eine Scherbelastung, aufgrund derer die Kühlflüssigkeit 4 zum zweiten Viskositätszustand strebt, insbesondere den zweiten Viskositätszustand annimmt, wobei die Viskosität der Kühlflüssigkeit 4 ansteigt. Die Kühlflüssigkeit 4 wird also unter Einfluss der Scherbelastung zähflüssiger. Hierdurch bildet die Kühlflüssigkeit 4 in dem Gehäuse 5 ein Dämpfungselement 10 für die Batteriezellanordnung 6. Eine Bewegung desselben innerhalb des Gehäuses 5 wird dadurch mittels der nun höherviskosen Kühlflüssigkeit 4 - das heißt mittels des durch die höherviskose Kühlflüssigkeit 4 gebildeten Dämpfungselements 10 - zumindest gedämpft bzw. gebremst. Hierzu ist die Kühlflüssigkeit 4 vorliegend zumindest teilweise rheopex und/oder zumindest teilweise dilatant ausgebildet.In the present case, the
Die nichtnewtonschen Kühlflüssigkeit 4 der Batterie 2 weist vorliegend im ersten Viskositätszustand eine höhere Viskosität auf als im zweiten Viskositätszustand. Dadurch wird die Batteriezellanordnung 6 von der den ersten Viskositätszustand aufweisenden Kühlflüssigkeit hochviskos umspült. Beispielsweise aufgrund eines Unfalls, in den das die Batterie 2 aufweisende Kraftfahrzeug 3 verwickelt ist, erfährt die Kühlflüssigkeit 4 eine Scherbelastung, aufgrund derer die Kühlflüssigkeit 4 zum zweiten Viskositätszustand strebt, insbesondere den zweiten Viskositätszustand annimmt. Ferner ist vorgesehen, dass die Kühlflüssigkeit 4 mit Scherung belastet werden kann, indem eine Pumpe, mittel derer die Kühlflüssigkeit 4 gepumpt wird, um die Batteriezellanordnung 6 zu umströmen bzw. umspülen, gesteuert oder geregelt werden kann. Jedenfalls nimmt bei der Scherbelastung die Viskosität der Kühlflüssigkeit 4 ab. Die Kühlflüssigkeit 4 wird also unter Einfluss der Scherbelastung dünnflüssiger. Hierdurch umströmt die Kühlflüssigkeit 4 in dem Gehäuse 5 die Batteriezellanordnung 6 niedrigerviskos, wodurch bei gleichem Kühlflüssigkeitsvolumen und erhöhtem Kühlflüssigkeitsdruck eine niedrigere Viskosität einen höheren Kühlflüssigkeitsmassenstrom bildet. Es strömt also während eines bestimmten Zeitintervalls mehr Masse der Kühlflüssigkeit 4, die den zweiten Viskositätszustand aufweist, an zu kühlenden Stellen der Batterie 2 vorbei als während desselben Zeitintervalls Masse der Kühlflüssigkeit 4, die den ersten Viskositätszustand aufweist, vorbeiströmen würde. Hierdurch wird bedarfsgerecht eine besonders effizient Wärmeabfuhr an den zu kühlenden Stellen der Batterie 2 erreicht. Hierzu ist die Kühlflüssigkeit 4 vorliegend zumindest teilweise thixotrop und/oder zumindest teilweise pseudoplastisch ausgebildet.In the present case, the
Zur Verdeutlichung der nichtnewtonschen Eigenschaften der Kühlflüssigkeit 4 wird auf die
Im Diagramm der
Durch die Batterie 1, 2, durch das Kraftfahrzeug 3 sowie durch das Verfahren ist eine jeweilige Möglichkeit aufgezeigt, ein besonders crashsicheres elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug zu schaffen, das zudem besonders leicht ausgebildet ist und besonders energieeffizient und emissionsarm betreibbar ist. Herkömmliche schwere und bauraumintensive Bauteile bzw. Strukturen zum Schutz einer herkömmlichen Batterie bzw. eines herkömmlichen Hochvoltspeichers vor Beschädigungen können aufgrund der vorliegenden Erfindung leichter ausgebildet werden oder zumindest teilweise entfallen. Im Crash- bzw. Fehlerfalls wird die Kühlflüssigkeit bestimmungsgemäß für den physischen und thermischen Schutz der Batteriezellen 7 und deren Peripherie zum Einsatz. Ein thermisches Event, insbesondere ein Durchgehen kann effizient verzögert oder vollständig gestoppt werden. Dies führt zu einer besonders vorteilhaften Sicherheit für Insassen des Kraftfahrzeugs 3. Zudem kann eine Kühlleistung bedarfsgerecht mittels Steigerns des Kühlmittelmassenstroms bei gleichem Volumen eingestellt werden.The battery 1, 2, the motor vehicle 3 and the method show a respective possibility of creating a particularly crash-safe electrically driven motor vehicle that is also particularly light and can be operated particularly energy-efficiently and with low emissions. Conventional, heavy and space-consuming components or structures for protecting a conventional battery or a conventional high-voltage storage device from damage can be made lighter or at least partially eliminated due to the present invention. In the event of a crash or fault, the coolant is used as intended for the physical and thermal protection of the
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Batteriebattery
- 22
- Batteriebattery
- 33
- Kraftfahrzeugmotor vehicle
- 44
- Kühlflüssigkeitcoolant
- 55
- GehäuseHousing
- 66
- Batteriezellanordnungbattery cell assembly
- 77
- Batteriezellebattery cell
- 88th
- Aggregataggregate
- 99
- Traktionsmotortraction engine
- 1010
- Dämpfungselementdamping element
- 1111
- Linieline
- 1212
- Linieline
- 1313
- Linieline
- 1414
- Linieline
- 1515
- Linieline
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R163 | Identified publications notified |