DE10202807B4 - Vorrichtung zur Temperierung von Hochleistungs-Sekundärbatterien für Fahrzeuganwendungen - Google Patents

Vorrichtung zur Temperierung von Hochleistungs-Sekundärbatterien für Fahrzeuganwendungen Download PDF

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Abstract

Vorrichtung zur Regelung der Temperatur von Hochleistungs-Sekundärbatterien auf der Basis von Nickel-Metallhydrid oder Lithium für Fahrzeuganwendungen, wobei in einem Gehäuse (1) mehrere Zellen (2) angeordnet und elektrisch miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen (2) Kanäle aufweisen, durch die ein wärmetransportierendes Medium strömt, wobei außerhalb des Gehäuses (1) eine durch einen Regler gesteuerte Heiz- und Kühleinrichtung (5) vorhanden ist, welche das wärmetransportierende Medium heizt oder kühlt, wobei der Regler (6) mit einem Temperaturfühler (7) im Innern des Gehäuses (1) verbunden ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Regelung der Temperatur von Hochleistungs-Sekundärbatterien auf der Basis von Nickel-Metallhydrid oder Lithium für Fahrzeuganwendungen, wobei in einem Gehäuse (1) mehrere Zellen (2) angeordnet und elektrisch miteinander verbunden sind.
  • Als elektrische Energiequelle in Elektrostraßenfahrzeugen, Hybridfahrzeugen, aber auch für moderne 42 Volt-Bordnetze finden neue Hochleistungsbatterien auf der Basis von Nickel-Metallhydrid oder Lithium Einzug. Aufgrund der hohen Leistungsanforderungen sind diese Batterien aus mehreren elektrisch verbundenen Zellen zusammengesetzt. In der kostenoptimierten Ausführung sind dabei die einzelnen Zellen in der Regel als Zylinder gewickelt.
  • Bei dem für diese Einsatzbereiche geforderten hohen Lastprofil wird in den Hochleistungsbatterien auf der Basis von Nickel-Metallhydrid oder Lithium so viel Verlustwärme generiert, dass eine aktive Batteriekühlung unumgänglich ist. Weiterhin sind die Betriebstemperaturen der genannten Batterien oftmals so eingeschränkt, dass ein zuverlässiger Betrieb bei sehr heißen und kalten Wetterbedingungen ohne zusätzliche Maßnahmen nicht sichergestellt werden kann.
  • Herkömmliche Systeme sehen beispielsweise Ventilatoren zur Luftkühlung der Hochleistungsbatterie vor. Eine solche Anord nung ist beispielsweise beschrieben in der Veröffentlichung JP 8185899 A2 (Yamaha Motors Co. Ltd.). Bei dieser Anordnung ist das Batteriegehäuse mit einer Öffnung versehen, an der ein Ventilator angebracht ist. Ein Temperaturfühler mißt im Innern des Batteriegehäuses die Temperatur und regelt den Ventilator entsprechend. Zusätzlich werden Lade- und Entladevorgänge bei dieser Anordnung in Abhängigkeit von der Temperatur ebenfalls reguliert, so dass beispielsweise bei zu hohen Temperaturwerten Ladevorgänge unterbrochen werden.
  • Eine derartige Kühlvorrichtung hat den Nachteil, dass über die Ventilatoröffnung des Batteriegehäuses eine unmittelbare Verbindung zur äußeren Umgebung besteht.
  • Damit ist beispielsweise bei einer witterungsbedingten hohen Luftfeuchtigkeit die Bildung von Kondenswasser im Batterieinnern möglich, was dann in Folge zu Korrosion und zu elektrischen Defekten (Kriechströme usw.) führen kann. Auch ist die Kühlleistung abhängig von der Lufttemperatur der Umgebung, also ebenfalls witterungsabhängig. Bei hoher Außentemperatur kann daher u.U. die Kühlleistung nicht ausreichen, so dass über den Temperaturfühler Ladeprozesse unterbrochen werden. Ein weiteres Problem kann durch die Anordnung der einzelnen Zellen entstehen, da die Luftzirkulation in dem Batteriegehäuse davon beeinflußt wird. Grundsätzlich werden Zellen, die nahe zum Ventilator angeordnet sind, intensiver gekühlt als diejenigen, die weiter entfernt im Gehäuse angebracht sind.
  • Zum Allgemeinen Stand der Technik aus dem Bereich der Blei-Akkumulatoren soll ferner die DE 269 22 074 U1 genannte werden, welche immobilisierter Schwefelsäure als Elektrolyten, arbeitet. Die Kühlung dieses Blei-Akkumulators erfolgt dabei durch in den Elektrodenplatten verlaufende Kanäle. Eine solche Kühlung stellt hohen Anforderungen an die Kanäle bzw. das Material der mit ih nen versehnen Elektroden. Dadurch wird in nachteiliger Weise die denkbare Auswahl für das Material der Elektroden eingeschränkt. So würde eine Kühlung der Elektroden von Lithium und Nickel-Metallhydrid-Batterien mittels durch die Elektroden geleitetem Wasser ein extremes Gefahrenpotenzial darstellt.
  • Aus dem deutschen Gebrauchsmuster DE 91 05 260 U1 ist außerdem ein Batteriesatz bekannt, welcher durch Flüssigkeit, welche in einem doppelwandigen Gehäuse der Batterie strömt, gekühlt wird. Die Nachteile dabei liegen überwiegend im Bereich der lediglich für die Temperierung von Bleiakkumulatoren ausreichenden Wärmeab- und -zufuhr durch derartige Konstruktionen. Außerdem müssen die elektrischen Kontakte durch das Gehäuse geführt werden, so dass entsprechenden Probleme mit der Dichtung der sich so ergebenden komplexen Gehäuseformen unvermeidbar werden.
  • Aus dem Themenfeld der Batterien mit flüssigen Elektrolyten ist es gemäß der DE 198 23 916 A1 ferner bekannt, die Batterien durch das Umwälzen des flüssigen Elektrolyten zu kühlen. Damit ergibt sich jedoch einerseits die Einschränkung auf flüssigen Elektrolyten, andererseits eine deutliche Leistungsbeschränkung, da auch der Elektrolyt nur eine begrenzte Wärmeenge aufnehmen und wieder abgeben kann. Der Aufbau weist somit in nachteiliger Weise das Fehlen einer echten aktiven und regelbaren Kühlung auf.
    •
  • Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Vorrichtung zur Temperaturregelung von Hochleistungs-Sekundärbatterien auf der Basis von Nickel-Metallhydrid oder Lithium zu entwickeln, das die genannten Nachteile weitgehend überwindet und weitere Vorteile aufweist.
  • Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere Einzelheiten der Erfindung und Vorzüge verschiedener Ausführungsformen ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche.
  • Die Erfindung schlägt vor, dass jede Zelle von einem wärmetransportierendem Medium durchströmt wird und dieses Medium über ein Leitungssystem durch eine außerhalb des Batteriegehäuses angeordnete Heiz-/Kühleinrichtung zirkuliert.
    •
  • Eine solche erfindungsgemäße Vorrichtung wird im folgenden anhand einer bevorzugten Ausführungsform beschrieben, wobei Bezug genommen wird auf die Figur und die darin aufgeführten Bezugsziffern.
  • Die Figur zeigt ein Batteriegehäuse (1), in dem sich die – hier zylinderförmigen – Zellen (2) der Hochleistungsbatterie befinden. In den Zellen befinden sich Kanäle, durch die ein wärmetransportierendes Medium strömen kann. Die Ausgänge dieser Kanäle sind über ein Leitungssystem (3) untereinander verbunden. Über Durchführungen (4) wird das Leitungssystem zu einer außerhalb des Gehäuses angebrachten Heiz-/Kühleinrichtung (5) geführt. Zur Steuerung der Leistung der Heiz-/Kühleinrichtung ist ein Regler (6) vorhanden. Dieser Regler kontrolliert mittels eines Temperaturfühlers (7) die Innentemperatur des Batteriegehäuses und regelt entsprechend die Leistung der Heiz-/Kühleinrichtung sowie angebrachte Lüfter (8) zur Wärmeableitung und Pumpsysteme (9) für eine aktive Zirkulation des wärmetransportierenden Mediums durch das Leitungssystem und die Zellen. Zur Kompensation der bei Temperaturänderung auftretenden Volumenänderung des wärmetransportierenden Mediums ist bei dieser Ausführung ein Ausdehnungsgefäß bzw. Druckausgleicher (10) vorgesehen.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht die Regelung der Temperatur der Batterie bzw. der Zellen. Unter Regelung der Temperatur wird verstanden, daß nicht nur die Abführung von Wärme möglich ist, wie es im Stand der Technik bereits beschrieben wird, sondern auch die Zuführung von Wärme. Letzteres kann insbesondere dann erforderlich sein, wenn die momentane Temperatur der Batterie unter dem Bereich ihrer optimalen Betriebstemperaturen liegt, wie es z.B. der Fall sein kann, wenn die Batterie bei niedrigen Temperaturen in Betrieb genommen wird. Im Bereich der Fahrzeuganwendungen kann das der Fall sein, wenn das Fahrzeug nach einer Stillstandsperiode bei niedrigen Umgebungstemperaturen gestartet wird. Ferner ermöglicht die erfindungsgemäße Vorrichtung auch eine Feineinstellung der Temperatur der Zellen, auf jede mit der Heiz- bzw. Kühleinrichtung erreichbare Temperatur.
  • Wie dargestellt ist das Gehäuse der Batterie in der bevorzugten Ausführung vollständig geschlossen. Bei entsprechender Ausgestaltung der Durchführungen (4) für das Leitungssystem (3) kann das Gehäuse hermetisch abgedichtet werden. Damit ist ausgeschlossen, dass witterungsbedingt Luftfeuchtigkeit eindringen kann. Eine solche Anordnung hat zudem den Vorteil, dass das Gehäuse zusätzlich die Funktion eines Explosionsschutzes übernehmen kann, indem es beispielsweise als verschweißte Konstruktion aus verstärktem Stahlblech ausgeführt ist, die dem Druck einer möglichen Explosion innerhalb der Batterie standhält. Vorteilhaft ist auch die mit einem geschlossenen Gehäuse verbundene Möglichkeit einer allseitigen passiven thermischen Verkleidung der Batterie, so dass die Sekundärzellen gegenüber äußeren Temperaturschwankungen isoliert sind.
  • Die vorgeschlagene Vorrichtung ermöglicht eine Anordnung der Zellen mit größtmöglicher Packungsdichte, da das wärmetransportierende Medium über vorhandene Kanäle durch das Innere der Zellen hindurch strömt, d.h. eine Kühlung oder Heizung nicht über die Außenflächen der Zellen erfolgt.
  • Bei zylindrisch geformten Zellen, die typischerweise in gewickelter Bauweise erstellt werden, können die Zellen vorzugsweise zentrale Durchgangsöffnungen im axialen Kern der Wicklung enthalten. Je nach Bauart der Zellen und/oder gewünschter Kühl- bzw. Heizleistung können pro Zelle auch mehrere Kanäle vorhanden sein, so dass ein größerer Wärmeaustausch pro Zeiteinheit erfolgen kann.
  • Als Medium für den Wärmeaustausch/-transport eignen sich sowohl Gase als auch Flüssigkeiten. Vorzugsweise werden reaktionsträge Stoffe eingesetzt, die im Falle einer Explosion einer Zelle oder bei einer Zerstörung der Hochleistungsbatterie (Unfall) keine zusätzliche Gefährdung bedeuten. Der Elektrolyt der Zellen kommt daher nicht in Frage. Stattdessen werden mit Vorteil Stoffe wie beispielsweise Wasser mit Frostschutzmitteln, z.B. Glycol, und Inhibitoren, die Kalkablagerungen verhindern, eingesetzt. Diese Stoffe sind im allgemeinen verhältnismäßig ungefährlich, billig und gut handzuhaben. Letzteres ist insbesondere dann von Vorteil, wenn das Medium für den Wärmeaustausch/transport ausgetauscht werden soll.
  • Über das Leitungssystem (3) wird das wärmetransportierende Medium zu den einzelnen Zellen und zur externen Heiz-/Kühleinrichtung transportiert. Dabei kann das Leitungssystem einerseits als starres Rohrsystem (z.B. aus Kunststoff, Metall) oder auch als flexibles Schlauchsystem (Kunststoff-, Stahlwellschlauch) oder entsprechenden Kombinationen ausgeführt sein. In einfachster Bauweise wird ein elastischer Schlauch, der später von dem Medium durchströmt wird, nacheinander meanderförmig durch die Zellen gefädelt. Alternativ zu einer solchen seriell durchströmten Anordnung kann das Leitungssystem ohne Mehraufwand auch so angeordnet werden, dass Zellen – z.B. gruppenweise – parallel von dem wärmetransportierendem Medium durchströmt werden. Damit ist eine gleichmäßige Kühlung/Heizung aller Zellen gewährleistet.
  • Damit das wärmetransportierende Medium durch die Zellen und die externe Heiz-/Kühleinrichtung zirkuliert, ist vorzugsweise eine Pumpe (9) vorgesehen. Bei einer Anordnung der Heizelemente der Heiz-/Kühleinrichtung unterhalb der Batterie, bzw. der Kühlelemente oberhalb der Batterie, kann bei entsprechender Ausführung des Leitungssystems auch eine Zirkulation des wärmetransportierenden Mediums durch Konvektion erfolgen.
  • In der Figur ist als externe Heiz- und Kühleinrichtung (5) ein Peltierelement dargestellt. Auch bei der Verwendung solcher Peltierelemente zur Kühlung oder Heizung erfolgt der Wärmetransport durch ein Fluid, so dass keine engtolerierten Passungen an den wärmeübertragenden Flächen der Zellen und der Peltierelemente erforderlich ist. Alternativ oder in Kombination können auch andere Vorrichtungen zur Kühlung oder Heizung eingesetzt werden (z.B. Kompressorsysteme, Luft-, Wasserkühlung, Widerstandsheizung).
  • Für eine Stabilisierung der Zellentemperatur bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen ist in der bevorzugten Ausführungsform ein Regler (6) vorgesehen, der verschiedene Komponenten (z.B. Pumpen, Lüfter, Kompressoren usw.) in Abhängigkeit von Temperaturwerten ansteuert, die von einem oder mehreren Temperaturfühlern aufgenommen werden. Dargestellt ist in der Figur ein Temperaturfühler (7) im Innenbereich des Batteriegehäuses. In ei ner erweiterten Ausführungsform können auch einzelne Zellen direkt – oder auch Zellengruppen – durch separate Temperaturfühler überwacht werden (nicht dargestellt). Der Regler verändert dann beispielsweise den Fluß des wärmetransportierenden Mediums im Leitungssystem durch Ansteuerung einer Pumpe (9) oder variiert die Leistung der Heiz-/Kühleinrichtung – bei dem in der Figur dargestellten Peltierelement beispielsweise durch Änderung von Stromstärke und/oder Stromrichtung und Drehzahlregelung des Lüfters (8).
  • Grundsätzlich bietet das erfindungsgemäße System bei hohem Kühlungs- und Heizungswirkungsgrad den Vorteil einer Anordnung der Zellen in dichter Packung und ermöglicht so kurze elektrische Zellverbindungen mit entsprechend geringem Leitungswiderstand und damit verbundenen Verlusten.
  • Damit einher geht eine kompakte Bauweise, die bei modernen Fahrzeugkonstruktionen einen wesentlichen Faktor darstellt.

Claims (6)

  1. Vorrichtung zur Regelung der Temperatur von Hochleistungs-Sekundärbatterien auf der Basis von Nickel-Metallhydrid oder Lithium für Fahrzeuganwendungen, wobei in einem Gehäuse (1) mehrere Zellen (2) angeordnet und elektrisch miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen (2) Kanäle aufweisen, durch die ein wärmetransportierendes Medium strömt, wobei außerhalb des Gehäuses (1) eine durch einen Regler gesteuerte Heiz- und Kühleinrichtung (5) vorhanden ist, welche das wärmetransportierende Medium heizt oder kühlt, wobei der Regler (6) mit einem Temperaturfühler (7) im Innern des Gehäuses (1) verbunden ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle durch ein Leitungssystem (3) miteinander verbunden sind.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Heiz- und Kühleinrichtung (5) Peltierelemente enthält.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler (6) Mittel ansteuert, welche die Strömung des wärmetransportierenden Mediums beeinflussen.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömung des wärmetransportierenden Mediums durch Konvektion erfolgt.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1) aus hermetisch dicht verschweißtem Stahlblech besteht.
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