DE102022122401A1

DE102022122401A1 - Verfahren zur Prüfung einer thermischen Kopplung zwischen einem Flüssigkühler und einer elektrochemischen Zelle

Info

Publication number: DE102022122401A1
Application number: DE102022122401.5A
Authority: DE
Inventors: Simon Erhard; Manuel Kainz
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2022-09-05
Filing date: 2022-09-05
Publication date: 2024-03-07

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Prüfung einer thermischen Kopplung zwischen einem Flüssigkühler und einer elektrochemischen Zelle vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst die Schritte: Verwenden des Flüssigkühlers zur Modifikation einer Temperatur (T1) der Zelle, Detektieren einer elektrischen Ausgangsgröße (U2) der Zelle, und Ermitteln einer Eigenschaft der thermischen Kopplung in Abhängigkeit der elektrischen Ausgangsgröße.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prüfung einer thermischen Kopplung zwischen einem Flüssigkühler und einer elektrochemischen Zelle. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Möglichkeit zur zerstörungsfreien Prüfung aus einer Vielzahl von Elementarzellen zusammengesetzter Traktionsenergiespeicher.
Die Elektrifizierung des Personenindividualverkehrs schreitet derzeit rasch voran. Die Traktionsenergie wird gemäß dem gängigsten Modell in elektrochemischen Traktionsenergiespeichern mitgeführt, welche sich während des Ladevorgangs sowie während des Entladevorgangs erheblich erwärmen können. Für ein effektives Thermomanagement werden Flüssigkühler an die Zellen angeschlossen. Mit anderen Worten wird ein Kühlfluid an den Zellen vorbeigeführt, welches die in den Zellen entstehende Wärme abführt. Hierzu ist eine einwandfreie thermische Kopplung der Zelle an den Kühlkanal erforderlich. Häufig werden diese Anbindungen mittels Klebstoff und/oder Wärmeleitpasten hergestellt. Zwar können zerstörende Stichprobennahmen Aufschluss darüber geben, ob ein Prozess erwartungsgemäße Ergebnisse liefert. Dies verringert jedoch die Effizienz des Prozesses und erhöht die Kosten bei erhöhtem Ausschuss. Bildgebende Verfahren (z.B. per Computertomografie (CT)) sind zwar grundsätzlich möglich, bei üblichen Verbundspeichern jedoch nicht an allen Positionen in geeigneter Weise einsetzbar.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine zerstörungsfreie Prüfung des Wärmeübergangs zwischen Batteriezelle und Kühler bereitzustellen.
Die vorgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Prüfung einer thermischen Kopplung zwischen einem Flüssigkühler und einer elektrochemischen Zelle gelöst. Der Flüssigkühler kann als Kühlkanal im Bereich eines elektrochemischen Energiespeichers verstanden werden, welcher die in den elektrochemischen Zellen entstehende Wärme abführen soll. In einem ersten Schritt kann der Flüssigkühler verwendet werden, um die Temperatur der elektrochemischen Zelle zu verändern (also anzuheben oder abzusenken). Hierzu kann warme oder kalte Flüssigkeit durch den Flüssigkühler geleitet/gepumpt werden. In Reaktion auf eine veränderte Zelltemperatur verändert sich auch eine Ausgangsspannung der elektrochemischen Zelle. Diese kann an elektrischen Ausgängen der elektrochemischen Zelle durch Messinstrumente detektiert werden. Im Ansprechen auf den Zusammenhang zwischen der Verwendung des Flüssigkühlers und den detektierten (veränderten) elektrischen Ausgangsgrößen der elektrochemischen Zelle kann auf eine erwartungsgemäße oder hinter den Erwartungen zurückbleibende thermische Kopplung zwischen der elektrochemischen Zelle und dem Flüssigkühler geschlossen werden. Mit anderen Worten wird eine Eigenschaft der thermischen Kopplung in Abhängigkeit der elektrischen Ausgangsgrößen bzw. anhand der elektrischen Ausgangsgrößen in Verbindung mit einer vordefinierten Referenz ermittelt. Haben sich beispielsweise Lufteinschlüsse zwischen einem Adhäsivum und dem Flüssigkühler und/oder der elektrochemischen Zelle eingestellt, ist eine Nacharbeit evtl. erforderlich, um die Funktionsfähigkeit des Speicherverbundes auch in Extremsituationen gewährleisten zu können.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Die thermische Kopplung kann eine direkte oder indirekte, insbesondere adhäsive Verbindung zwischen einem Mantel der elektrochemischen Zelle und dem Flüssigkühler umfassen. Als Adhäsivum kann beispielsweise eine Wärmeleitpaste, ein Klebstoff, o.ä., zwischen dem Mantel der elektrochemischen Zelle und dem Flüssigkühler verwendet werden. Auch Lötverbindungen können zumindest anteilig für die Montage des Speicherverbundes infrage kommen. Eine direkte Verbindung kann ohne einen vermittelnden Zusatzstoff zwischen der thermischen Kopplung und dem Mantel der elektrochemischen Zelle hergestellt werden. Insbesondere kann der Mantel der elektrochemischen Zelle hierbei als (anteiliger) Bestandteil der Fluidführung des Flüssigkühlers ausgestaltet sein.
Die elektrische Ausgangsgröße kann insbesondere über der Zeit ermittelt werden bzw. mit einer vordefinierten Referenz verglichen werden, welche dann ebenfalls über der Zeit ermittelt wird. Die elektrische Ausgangsgröße kann jedoch auch mit einer elektrischen Ausgangsgröße einer weiteren elektrochemischen Zelle verglichen werden. Insbesondere für den Fall, dass eine Vielzahl elektrochemischer Zellen mit dem Flüssigkühler gekoppelt sind, kann davon ausgegangen werden, dass die elektrochemischen Zellen ähnliche elektrische Reaktionen auf die Verwendung des Flüssigkühlers zeigen und daher eine abweichende elektrische Reaktion einer elektrochemischen Zelle auf eine anormale thermische Kopplung dieser elektrochemischen Zelle schließen lässt. Insbesondere kann eine Änderungsgeschwindigkeit einer einzelnen elektrochemischen Zelle, welche hinter der Änderungsgeschwindigkeit weiterer elektrochemischer Zellen zurückbleibt, darauf schließen lassen, dass die thermische Kopplung nicht ideal ausgestaltet ist. Diese elektrochemische Zelle kann anschließend ausgetauscht oder zur thermischen Ankopplung nachgearbeitet werden.
Handelt es sich bei dem Energiespeicher um in regelmäßigem Muster angeordnete elektrochemische Zellen vordefinierter räumlicher Anordnung, kann ein Prüfkopf mit einer Vielzahl Prüfkontakten (Elektroden o.ä.) verwendet werden, um den fertiggestellten Verbund mehrerer elektrochemischer Zellen nebst Flüssigkühler testweise elektrisch zu kontaktieren. Vorzugsweise kann hierbei eine provisorische fluidische Verbindung des Flüssigkühlers mit einem Testaufbau vorgenommen werden, durch welchen der Flüssigkühler mit einem Kühfluid vordefinierter Temperatur beaufschlagt wird. Die elektrische Kontaktierung zu Testzwecken kann insbesondere vor einer Verknüpfung der elektrochemischen Zellen miteinander bzw. mit einer übergeordneten Peripherie erfolgen. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass die elektrische Reaktion der einzelnen elektrochemischen Zelle separat aufgenommen und ausgewertet werden kann.
Wird eine nicht hinreichende Korrelation von elektrischen Ausgangsgröße und der Verwendung des Flüssigkühlers ermittelt, kann die thermische Kopplung anschließend nachgearbeitet oder vollständig verworfen werden. Die Korrelation kann beispielsweise eine zeitliche Korrelation sein, welche Aufschluss über die Zeitverzögerung zwischen der Beaufschlagung des Flüssigkühlers mit einer Flüssigkeit und einer Änderung der elektrischen Ausgangsgröße gibt. Aber auch der Gradient bzw. die Höhe der Änderung der elektrischen Ausgangsgröße über der Änderung der Fluidtemperatur kann als Korrelation Aufschluss über die thermische Kopplung geben. Hierbei können Schwellenwerte vordefiniert werden, welche darüber entscheiden, ob eine thermische Kopplung als „in Ordnung“ oder als „nicht in Ordnung“ zu klassifizieren ist.
Sofern die erfindungsgemäßen Verfahren unter vordefinierten Startbedingungen stattfinden, kann eine Verwendung des Flüssigkühlers ein Fluten des Flüssigkühlers mit einem warmen (wärmeren) Fluid und/oder ein Fluten des Flüssigkühlers mit einem kalten (kälteren) Fluid umfassen. Insbesondere kann zur wiederholenden Prüfung eine abwechselnde Beschickung des Flüssigkühlers mit warmem und mit kaltem Fluid eine abwechselnde Änderung der elektrischen Ausgangsgröße der elektrochemischen Zelle provozieren. Auf diese Weise kann auch ein kontinuierlicher Fluidstrom verwendet werden, um zeitlich aufeinanderfolgend elektrisch kontaktierte elektrochemische Zellen auf ihre Ausgangsgrößen hin zu überprüfen.
Der Flüssigkühler und die elektrochemische Zelle bzw. elektrochemischen Zellen können Bestandteile eines Traktionsenergiespeichersystems für ein elektrisch antreibbares Fortbewegungsmittel sein. Insbesondere kann der Flüssigkühler in den elektrochemischen Zellen verklebt und/oder verschäumt und/oder vergossen sein, um eine hohe mechanische Steifigkeit des Traktionsenergiespeichersystems zu gewährleisten und dieses als tragendes Element einer Bodenbaugruppe eines PKWs verwenden zu können. Insbesondere bei derartigen Baugruppen ist eine Stichprobenentnahme nicht ohne erheblichen wirtschaftlichen Schaden am Traktionsenergiespeichersystem möglich, so dass das erfindungsgemäße Verfahren hier besonders große Vorteile mit sich bringt.
Der Flüssigkühler kann insbesondere eine schlangenförmige Seitenkühlung umfassen, welche sich entlang zumindest eines Teils einer Mantelfläche einer als Rundzelle ausgeführten elektrochemischen Zelle erstreckt. Mit anderen Worten ist die Flüssigkeitsführung des Flüssigkühlers zumindest anteilig in azimutaler Richtung um die Symmetrieachse der elektrochemischen Rundzelle orientiert.
Anders ausgedrückt schlängelt sich der Flüssigkühler zwischen achsparallel zueinander angeordneten elektrochemischen Zellen.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren. Es zeigen:

1 eine geschnittene Draufsicht auf eine zu untersuchende Anordnung mehrerer elektrochemischer Zellen mit einem adhäsiv gekoppelten Flüssigkühler;
2 eine schematische Seitenansicht (teilweise geschnitten) auf eine Anordnung einer zu prüfenden Anordnung aus zwei elektrochemischen Zellen und einem Flüssigkühler;
3 Zeitdiagramme von Fluidtemperatur, Zelltemperatur und Reaktion elektrischer Kenngrößen einer Zelle; und
4 ein Flussdiagramm veranschaulichend Schritte eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zur Prüfung einer thermischen Kopplung zwischen einem Flüssigkühler und einer elektrochemischen Zelle.

1 zeigt eine von oben geschnittene Anordnung zweier elektrochemischer Rundzellen 2, welche über ein Adhäsivum 3 in Form einer Wärmeleitpaste an einen Flüssigkühler 1 angeschlossen sind. Ein Lufteinschluss 6 zwischen dem Flüssigkühler 1 und dem Adhäsivum 3 sorgt für eine nicht wünschenswerte verminderte thermische Kopplung, welche erfindungsgemäß erkannt werden kann.
2 zeigt eine Seitenansicht einer aufgeschnittenen Flüssigkeitsführung in Form eines Flüssigkühlers 1, welcher durch einen Volumenstrom Q̇ eines Kühlfluides 5 strömt. Auf seinem Weg an den elektrochemischen Zellen 2 vorbei gibt das Kühlfluid 5 Wärme an die elektrochemischen Zellen 2 ab oder nimmt Wärme von diesen auf. Dadurch verringert sich der Wärmeübertrag zwischen Kühlfluid 5 und den elektrochemischen Zellen 2 stromabwärts, was bei der Interpretation der elektrischen Ausgangsgrößen der elektrochemischen Zellen 2 zu berücksichtigen ist.
3 zeigt Zeitdiagramme der Temperatur T₁ des Flüssigkühlers 1, der Temperatur T₂ der von dem Kühlfluid umströmten elektrochemischen Zelle 2 sowie der Änderung Δu der Zellausgangsspannung U₂ als elektrische Ausgangsgröße der Zelle 2 bei unterschiedlichen Ladezuständen (SOC). Die Zellspannung U₂ ist eine Funktion der Temperatur T bei offenen Klemmen (I=0). Bei einem ersten Ladezustand SOC₁ nimmt die Zellspannung U₂ mit zunehmender Zelltemperatur T₂ zu, während die Zellspannung U₂ bei einem zweiten SOC₂ mit zunehmender Temperatur T₂ im Verlaufe der Zeit abnimmt. Bei Kenntnis des SOC (state of charge, Ladezustand) der betrachteten Zelle und durch Messung der Leerlaufspannung der Zelle kann nun auf den Temperaturverlauf der Zelltemperatur T₂ geschlossen werden. Verläuft diese Temperatur T₂ erwartungsgemäß, ist die elektrische Kopplung zum Flüssigkühler 1 in Ordnung, andernfalls nicht in Ordnung. Gegebenenfalls muss eine Nacharbeit oder ein Austausch der thermischen Kopplung erfolgen.
4 zeigt Schritte eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Prüfung einer thermischen Kopplung zwischen einem Flüssigkühler und einer elektrochemischen Zelle. In Schritt 100 wird ein Flüssigkeitskühler zur Modifikation einer Temperatur einer Zelle verwendet. Mit anderen Worten wird der Flüssigkühler mit einer Kühlflüssigkeit vor bestimmten Temperaturniveaus beaufschlagt. In Schritt 200 werden die elektrischen Ausgangsgrößen der Zelle mittels externer Prüfelektroden detektiert. Der Zeitverlauf der elektrischen Ausgangsgröße wird zumindest solange aufgenommen, bis hinreichend Rückschlüsse auf eine thermische Kopplung zwischen dem Flüssigkühler und der elektrochemischen Zelle möglich sind. In Schritt 300 wird anschließend eine Eigenschaft der thermischen Kopplung in Abhängigkeit der elektrischen Ausgangsgröße ermittelt. In Schritt 400 wird anschließend eine nicht hinreichende Korrelation der elektrischen Ausgangsgröße und der Verwendung des Flüssigkühlers ermittelt. Hierbei wird das Zeitverhalten und eine Zeitverzögerung zwischen zueinander korrespondierenden Temperatur- und Spannungsdaten ermittelt. Im Ansprechen darauf wird in Schritt 500 die thermische Kopplung nachgearbeitet, um eine verbesserte Wärmeabfuhr aus den elektrochemischen Zellen zu gewährleisten.
Bezugszeichenliste:

1: Flüssigkühler
2: elektrochemische Zelle
3: Adhäsivum
5: Kühlfluid
6: Lufteinschluss
100 bis 500: Verfahrensschritte
SOC: Ladezustand
T: Temperatur
t: Zeit
U: Spannung

Claims

Verfahren zur Prüfung einer thermischen Kopplung zwischen einem Flüssigkühler (1) und einer elektrochemischen Zelle (2) umfassend die Schritte • Verwenden (100) des Flüssigkühlers (1) zur Modifikation einer Temperatur (T₁) der elektrochemischen Zelle (2), • Detektieren (200) einer elektrischen Ausgangsgröße (U₂) der elektrochemischen Zelle (2), und • Ermitteln (300) einer Eigenschaft der thermischen Kopplung in Abhängigkeit der elektrischen Ausgangsgröße.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die thermische Kopplung eine adhäsive Verbindung zwischen einem Mantel der elektrochemischen Zelle (2) und dem Flüssigkühler (1) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die elektrische Ausgangsgröße über der Zeit (t) ermittelt wird und/oder mit einer vordefinierten Referenz verglichen wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die elektrische Ausgangsgröße mit einer zweiten elektrischen Ausgangsgröße einer zweiten, mit dem Flüssigkühler (1) thermisch gekoppelten elektrochemischen Zelle (2) verglichen wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zum Detektieren der elektrischen Ausgangsgröße der elektrochemischen Zelle (2) Prüfkontakte temporär eine elektrische Verbindung zu der elektrochemischen Zelle (2) und zu ihr benachbarten elektrochemischen Zellen (2) eingehen.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche weiter umfassend die Schritte -Ermitteln (400) einer nicht hinreichenden Korrelation der elektrischen Ausgangsgröße und der Verwendung des Flüssigkühlers (1) und im Ansprechen darauf - Nacharbeiten (500) oder Verwerfen der thermischen Kopplung.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Verwendung des Flüssigkühlers (1) umfasst: - Fluten des Flüssigkühlers (1) mit einem warmen Fluid (5) und/oder - Fluten des Flüssigkühlers (1) mit einem kalten Fluid.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Flüssigkühler (1) und die elektrochemische Zelle (2) Bestandteile eines Traktionsenergiespeichersystems für ein elektrisch antreibbares Fortbewegungsmittel sind.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Flüssigkühler (1) eine schlangenförmige Seitenkühlung umfasst.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die elektrochemische Zelle (2) eine Rundzelle ist.