DE10218539B4 - Einheit aus einer Kühlvorrichtung und einem Batteriesatz sowie Betriebsverfahren hierfür - Google Patents

Einheit aus einer Kühlvorrichtung und einem Batteriesatz sowie Betriebsverfahren hierfür Download PDF

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Abstract

Einheit aus einer Vorrichtung und einem Batteriesatz (12) mit einer Vielzahl von Batteriemodulen (16 bis 38), insbesondere zur Verwendung bei einem Fahrzeug, enthaltend
eine Quelle für kühlendes Gas,
eine Pumpe (42) zur Kompression des Gases,
ein Hochdruck-Leitungssystem, welches in Fluidverbindung mit der Pumpe (42) steht und das komprimierte Gas dem Batteriesatz (12) zuleitet,
eine Mehrzahl Expansionsventile (46, 48, 50, 52) welche in Fluidverbindung mit dem Hochdruck-Leitungssystem stehen und eine Dekompression des Gases bewirken, und
ein Niederdruckleitungssystem, welches in Fluidverbindung mit den Expansionsventilen (46, 48, 50, 52) steht, wobei das Niederdruckleitungssystem eine Vielzahl von Leitungen (58 bis 78) aufweist, die zwischen den Batteriemodulen (16 bis 38) angeordnet sind, was die Zirkulation des kühlenden Gases durch den gesamten Batteriesatz (12) ermöglicht.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Einheit aus einer Kühlvorrichtung und einem Batteriesatz, insbesondere für ein elektrisches Fahrzeug oder ein Hybrid-Elektrofahrzeug sowie ein Betriebsverfahren hierfür.
  • Zur Reduzierung der Emissionen von Kraftfahrzeugen sowie des Bedarfs an fossilen Kraftstoffen wurden Fahrzeuge entwickelt, die durch elektrische Einrichtungen, wie beispielsweise Batterien, angetrieben werden. Bei diesen elektrischen Fahrzeugen sind die Emissionen und der Bedarf an konventionellen fossilen Kraftstoffen durch eine Eliminierung von Verbrennungskraftmotoren (beispielsweise in ausschließlich elektrisch betriebenen Fahrzeugen) oder durch ein Betreiben des Motors ausschließlich zu den effizientesten bzw. bevorzugten Betriebszeitpunkten (beispielsweise bei Hybrid-Elektrofahrzeugen) reduziert.
  • Zur Gewährleistung eines optimalen Betriebs dieser batteriebetriebenen Fahrzeuge ist es erforderlich, eine Kühlung für die Batterien vorzusehen. Diese Kühlung erfolgt, um die Batterien bei oder unterhalb einer gewissen Temperatur zu halten. Die Batterien in derartigen Fahrzeugen sind üblicherweise innerhalb eines Satzes angeordnet, der mehrere Batterien oder Batteriemodule enthält. Üblicherweise enthält ein Batteriesatz insbesondere mehrere in Reihen und Säulen angeordnete Batterien.
  • Bei nach dem Stand der Technik bekannten Kühlvorrichtungen wird ein Ventilator oder ein Gebläse zur Kühlung eines Batteriesatzes eingesetzt. Die Kühlung der einzelnen Batteriemodule erfolgt dabei insbesondere dadurch, dass der Ventilator oder das Gebläse vorgekühlte Luft auf den Batteriesatz leitet. Diese Art von Kühlvorrichtungen ermöglicht jedoch weder eine effiziente noch eine gleichmäßige Kühlung der Batterien, weil die einzelnen Batterien unterschiedliche Abstände zu dem Ventilator aufweisen. Dies führt daher oft zu Wärmegradienten in den Batteriesätzen, was die Leistung der Batterien nachteilig beeinflusst. Andere Arten von bekannten Kühlvorrichtungen, bei denen Anordnungen zur Flüssigkühlung eingesetzt werden, sind relativ teuer, wodurch sich in unerwünschter Weise die Kosten für die Herstellung des Fahrzeugs erheblich erhöhen.
  • Die DE 44 08 960 C1 offenbart ein Kühlsystem für eine Traktionsbatterie, bei welchem ein Kühlwasserkreislauf durch eine unterhalb der Batterie angeordnete Kühlschlange führt. Falls die Wärmeabgabe an einem Wärmetauscher zur Kühlung nicht ausreicht, wird das Kühlwasser zusätzlich durch ein Kühlaggregat gekühlt. Gemäß einer alternativen Ausführungsform enthält ein Zweig eines Kühlaggregates mit einem Expansionsventil und einem Verdampfer die zu kühlende Traktionsbatterie.
    •
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue und verbesserte Vorrichtung zur Kühlung eines Batteriesatzes sowie ein entsprechendes Verfahren bereitzustellen, welche bzw. welches im Wesentlichen eine relativ schnelle und gleichmäßige Kühlung innerhalb eines gesamten Batteriesatzes ermöglicht bzw. ermöglichen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Einheit aus einer Kühlvorrichtung und einem Batteriesatzes nach Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Einheit bilden die Gegenstände der Unteransprüche.
  • Die erfindungsgemäßen Einheiten umfassen eine Vielzahl von innerhalb des Batteriesatzes an geordneten Kühlleitungen, welche eine im Wesentlichen gleichmäßige Kühlrate innerhalb des gesamten Batteriesatzes ermöglichen, wodurch Wärmegradienten innerhalb des Batteriesatzes reduziert werden. Ein erster nicht einschränkend aufzufassender Vorteil der Erfindung liegt somit darin, dass eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Kühlung eines Batteriesatzes zur Verfügung gestellt werden, welche eine effiziente und gleichmäßige Kühlung mehrerer in einem Satz angeordneter Batteriemodule ermöglichen. Ein zweiter nicht einschränkend aufzufassender Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass ein Kühlmechanismus bzw. eine Reaktion verwendet wird, welcher bzw. welche innerhalb eines Batteriesatzes abläuft, wodurch eine relativ schnelle und gleichmäßige Kühlung innerhalb des gesamten Batteriesatzes ermöglicht wird.
  • Im Rahmen der Erfindung wird eine besonders vorteilhafte Vorrichtung zur Kühlung eines Batteriesatzes, insbesondere zur Verwendung innerhalb eines Fahrzeugs, vorgeschlagen. Die Vorrichtung umfasst eine Quelle für kühlendes Gas, eine Pumpe bzw. einen Kompressor zur Kompression des kühlenden Gases, sowie ein Hochdruck-Leitungssystem, welches in Fluidverbindung mit der Pumpe steht und das komprimierte kühlende Gas dem Batteriesatz zuführt. Die Vorrichtung umfasst ferner zumindest ein Expansionsventil, welches in Fluidverbindung mit dem Hochdruck-Leitungssystem steht und eine Dekompression des kühlenden Gases bewirkt. Es ist schließlich erfindungsgemäß auch ein Niederdruckleitungssystem vorgesehen, welches in Fluidverbindung mit dem zumindest einen Expansionsventil steht, das dekomprimierte kühlende Gas aufnimmt und das kühlende Gas durch den gesamten Batteriesatz zirkulieren lässt, wodurch dieser relativ schnell und gleichmäßig gekühlt wird.
  • Erfindungsgemäß wird ferner ein besonders vorteilhaftes Verfahren zur Kühlung eines Batteriesatzes zur Verfügung gestellt, bei dem der Batteriesatz derart ausgestaltet ist, dass er eine Vielzahl von Batteriemodulen enthält. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Kühlendes Gas wird komprimiert und dem Batteriesatz zugeleitet. Das kühlende Gas wird dann wieder dekomprimiert und dieses dekomprimierte kühlende Gas wird durch den gesamten Batteriesatz geleitet, wodurch die Vielzahl von Batteriemodulen relativ schnell und gleichmäßig gekühlt wird.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand der einzigen Figur beispielhaft näher erläutert. Es zeigt:
  • 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Kühlung eines Batteriesatzes gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
    •
  • 1 zeigt eine Vorrichtung 10 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, welche eine effektive Kühlung eines Batteriesatzes 12 ermöglicht. Die Vorrichtung 10 ist zur Verwendung in Kombination mit einem Fahrzeug ausgebildet, welches mehrere Batterien oder Batteriemodule 16 bis 38 enthält, welche Energie für das Fahrzeug liefern. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Fahrzeug ein Elektrofahrzeug oder ein Hybrid-Elektrofahrzeug. Während in der in 1 dargestellten, nicht einschränkend aufzufassenden Ausführungsform der Batteriesatz 12 zwölf (12) Batteriemodule enthält, ist diesbezüglich anzumerken, dass der Batteriesatz 12 auch jede andere Anzahl von Batterien enthalten kann. Die Vorrichtung 10 kann ferner zur Anpassung an die Anzahl von Batterien innerhalb des Batteriesatzes 12 entsprechend modifiziert sein. In der Ausführungsform gemäß 1 sind die Batterien in vier Reihen 102, 104, 106 und 108 sowie in drei Säulen 110, 112 und 114 angeordnet.
  • Die Vorrichtung 10 beinhaltet ein Kanal- bzw. Leitungssystem für kühlendes Gas, welches die Lagerung, Kompression, Expansion und Zirkulation des kühlenden Gases durch den Batteriesatz 12 und die Vorrichtung 10 ermöglicht. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung 10 ein Reservoir, eine Quelle oder einen Tank 40 für das kühlende Gas, welcher wirksam in Fluidverbindung mit einer herkömmlichen Pumpe 42 und/oder einem Kompressor, einem herkömmlichen Wärmetauscher 44 (beispielsweise einem herkömmlichen Gas-/Luft-Wärmetauscher oder einem Gas-/Flüssigkeit-Wärmetauscher) und verschiedenen Expansionsventilen 46, 48, 50 und 52 steht. In einer bevorzugten Ausführungsform wird herkömmliches kühlendes Gas innerhalb der Vorrichtung 10 verwendet, wie beispielsweise ein kompressibles, nicht entflammbares Fluorkohlenstoffgas.
  • Um unter Druck stehendes oder komprimiertes kühlendes Gas selektiv zum Batteriesatz 12 zu transportieren, ist ein erstes "Hochdruck"-Leitungssystem mit mehreren Röhren oder Leitungen innerhalb des Fahrzeugs angeordnet. Insbesondere steht die Pumpe 42 unter Verwendung einer Leitung 54 in Fluidverbindung mit dem Wärmetauscher 44. Der Wärmetauscher 44 steht wiederum über eine Leitung 56 in Fluidverbindung mit einem Expansionsventil 46. Das Expansionsventil 46 steht seinerseits unter Verwendung einer Leitung 58 in Fluidverbindung mit einem Expansionsventil 48. Das Expansionsventil 48 steht über eine Leitung 60 in Verbindung mit einem Expansionsventil 50. Das Expansionsventil 50 steht schließlich über eine Leitung 62 in Fluidverbindung mit einem Expansionsventil 52. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Expansionsventile 46, 48, 50 und 52 sowie die Leitungen 58, 60 und 62 in der Mitte des Batteriesatzes 12 zwischen Reihen 104, 106 angeordnet (so befindet sich hier beispielsweise auf beiden Seiten der Expansionsventile 46 bis 52 und Leitungen 58 bis 62 die gleiche Anzahl von Batteriereihen (hier 2)).
  • Ein zweites "Niederdruck"-Leitungssystem wird verwendet, um das "expandierte" oder dekomprimierte kühlende Gas innerhalb des gesamten Batteriesatzes 12 zirkulieren zu lassen und das kühlende Gas zur Rekompression zur Pumpe 42 zurückzuführen. Das Niederdruckleitungssystem umfasst mehrere Leitungen, die mit einer oder mehreren Seiten der verschiedenen Batteriemodule 16 bis 38 (beispielsweise mit den Ummantelungen oder Gehäusen der Batteriemodule) in Kontakt stehen und die Wärme von den Batteriemodulen 16 bis 38 absorbieren und/oder abführen. Dabei steht eine Leitung 64 in Fluidverbindung mit dem Expansionsventil 46 und einer Rückführleitung 80, wobei die Leitung 64 die Wärme erfasst und von den Batteriemodulen 16, 22 abführt. Eine Leitung 66 steht in Fluidverbindung mit dem Expansionsventil 46 und einer Rückführleitung 82, wobei die Leitung 66 die Wärme von den Batteriemodulen 28 und 34 erfasst und abführt. Die Leitung 68 steht in Fluidverbindung mit dem Expansionsventil 48 und der Rückführleitung 80, wobei die Leitung 68 die Wärme von den Batteriemodulen 16, 22, 18 und 24 erfasst und abführt. Eine Leitung 70 steht in Fluidverbindung mit dem Expansionsventil 48 und der Rückführleitung 82, wobei die Leitung 70 die Wärme von den Batteriemodulen 28, 34, 30 und 36 erfasst und abführt. Eine Leitung 72 steht in Fluidverbindung mit dem Expansionsventil 50 und der Rückführleitung 80, wobei die Leitung 72 die Wärme von den Batteriemodulen 18, 24, 20 und 26 erfasst und abführt. Eine Leitung 74 steht in Fluidverbindung mit dem Expansionsventil 50 und der Rückführleitung 82, wobei die Leitung 74 die Wärme von den Batteriemodulen 30, 36, 32 und 38 erfasst und abführt. Eine Leitung 76 steht in Fluidverbindung mit dem Expansionsventil 52 und der Rückführleitung 80, wobei die Leitung 76 die Wärme von den Batteriemodulen 20 und 26 erfasst und abführt. Schließlich steht eine Leitung 78 mit dem Expansionsventil 52 und der Rückführleitung 82 in Fluidverbindung, wobei die Leitung 78 die Wärme von den Batteriemodulen 32 und 38 erfasst und abführt.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform weist jede "Niederdruck"-Leitung 64, 66, 68, 70, 72, 74, 76 und 78 im wesentlichen eine Schlangenlinienform oder eine andere gewundene Form auf, um einen relativ großen Bereich der Oberfläche des jeweiligen Batteriemoduls zu kontaktieren. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise die Wärmeabführung von den Batteriemodulen erhöht. In anderen alternativen Ausgestaltungen können die Leitungen 64 bis 78 auch andere Formen oder Konfigurationen aufweisen. In alternativen Ausgestaltungen weisen die Leitungen 64 bis 78 integriert in Kanäle der Ummantelungen oder Gehäuse des jeweiligen Batteriemoduls eingeformte Bereiche auf. So stehen beispielsweise bei einer nicht einschränkend aufzufassenden Ausführungsform die Leitungen 64 bis 78 in Fluidverbindung mit in Taschen der Ummantelung des jeweiligen Batteriemoduls angeordneten Kühlmänteln.
  • Eine Rückführleitung 84 steht in Fluidverbindung mit den Rückführleitungen 80, 82 und der Pumpe 42. Die Leitung 84 leitet das expandierte Gas zur Rückführung innerhalb der Vorrichtung 10 zur Pumpe 42 zurück. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Leitung 84 von einer Isolierbeschichtung 86 umgeben. In einer nicht einschränkend aufzufassenden Ausführungsform ist ein Wärmetauscher innerhalb der Rückführleitung 84 angeordnet.
  • Die vorliegende Erfindung ist nicht auf das zuvor beschriebene Leitungssystem oder zuvor beschriebene Konfigurationen beschränkt. Vielmehr können alternativen Ausgestaltungen unterschiedliche und/oder zusätzliche Leitungen verwendet werden, um die verschiedenen Bestandteile der Vorrichtung 10 miteinander zu verbinden und kühlendes Gas durch den Batteriesatz 12 zu transportieren und/oder zu leiten. So kann die Vorrichtung 10 beispielsweise ferner zwischen den Reihen 102, 104 und/oder zwischen den Reihen 106, 108 hindurchgeführte Leitungen beinhalten.
  • Während des Betriebes komprimiert die Pumpe 42 das kühlende Gas und transportiert das komprimierte Gas durch die Leitungen 54, 56 und durch den Wärmetauscher 44 zum Batteriesatz 12. Wenn das Gas den Wärmetauscher 44 passiert, wird dem Gas thermische Energie entzogen, wodurch das Gas gekühlt wird. Wenn das Gas das Expansionsventil 46 erreicht, wird es ausgedehnt und teilweise durch die Leitungen 64 und 66 abgeleitet. Dadurch werden die Batteriemodule 16, 22, 28 und 34 gekühlt. Das verbleibende komprimierte Gas wird zum Expansionsventil 48 geleitet, welches eine weitere Ausdehnung des anderen Teils des Gases bewirkt und das expandierte Gas teilweise durch die Leitungen 68 und 70 ableitet. Hierdurch werden die Batteriemodule 16, 22, 28, 34, 18, 24, 30 und 36 gekühlt. Das verbleibende komprimierte Gas wird zum Expansionsventil 50 geleitet, welches eine weitere Ausdehnung des anderen Teils des Gases bewirkt und das expandierte Gas teilweise durch die Leitungen 72 und 74 ableitet. Hierdurch werden die Batteriemodule 18, 24, 30, 36, 20, 26, 32 und 38 gekühlt. Das verbleibende komprimierte Gas wird zum Expansionsventil 52 geleitet, welches eine Ausdehnung des verbleibenden Teils des Gases bewirkt und das expandierte Gas durch die Leitungen 76 und 78 ableitet, wodurch die Batteriemodule 20, 26, 32 und 38 gekühlt werden. Das expandierte Gas kühlt die Batteriemodule 16 bis 38 relativ schnell und gleichmäßig und wird mittels der Rückführleitungen 80, 82, 84 zu der Pumpe 42 zurückgeführt.
  • Das Gas wird durch die Pumpe 42 rekomprimiert und erneut durch die Vorrichtung 10 geleitet, d.h. es wird rezirkuliert. Wenn das Gas den Wärmetauscher 44 passiert, wird die im Gas gespeicherte thermische Energie oder Wärme an die Atmosphäre oder in ein anderes Kühlmittel oder einen Kühlkörper abgegeben.
  • Auf diese Weise kühlt die Vorrichtung 10 zur Kühlung des Batteriesatzes 12 jedes der Batteriemodule 16 bis 38 auf relativ schnelle und gleichmäßige Weise. Durch die Gewährleistung einer im wesentlichen gleichmäßigen Wärmeabgaberate innerhalb des gesamten Batteriesatzes 12 ist die Vorrichtung 10 zur Kühlung des Batteriesatzes 12 in der Lage, das Auftreten von Wärmegradienten innerhalb des Batteriesatzes 12 im Wesentlichen zu reduzieren, wodurch eine Leistung des Batteriesatzes 12 auf optimalem Niveau ermöglicht wird.
    • 10
    Vorrichtung
    12
    Batteriesatz
    16–38
    Batteriemodule
    40
    Tank
    42
    Pumpe
    44
    Wärmetauscher
    46
    Expansionsventil
    48
    Expansionsventil
    50
    Expansionsventil
    52
    Expansionsventil
    54–62
    Leitungen
    64–78
    Leitungen
    80
    Rückführleitung
    82
    Rückführleitung
    84
    Rückführleitung
    86
    Isolierbeschichtung
    102–108
    Batteriereihen
    110
    Batteriesäule
    112
    Batteriesäule
    114
    Batteriesäule

Claims (11)

  1. Einheit aus einer Vorrichtung und einem Batteriesatz (12) mit einer Vielzahl von Batteriemodulen (16 bis 38), insbesondere zur Verwendung bei einem Fahrzeug, enthaltend eine Quelle für kühlendes Gas, eine Pumpe (42) zur Kompression des Gases, ein Hochdruck-Leitungssystem, welches in Fluidverbindung mit der Pumpe (42) steht und das komprimierte Gas dem Batteriesatz (12) zuleitet, eine Mehrzahl Expansionsventile (46, 48, 50, 52) welche in Fluidverbindung mit dem Hochdruck-Leitungssystem stehen und eine Dekompression des Gases bewirken, und ein Niederdruckleitungssystem, welches in Fluidverbindung mit den Expansionsventilen (46, 48, 50, 52) steht, wobei das Niederdruckleitungssystem eine Vielzahl von Leitungen (58 bis 78) aufweist, die zwischen den Batteriemodulen (16 bis 38) angeordnet sind, was die Zirkulation des kühlenden Gases durch den gesamten Batteriesatz (12) ermöglicht.
  2. Einheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Niederdruckleitungssystem in Fluidverbindung mit der Pumpe (42) steht und eine Rückführung des umgewälzten kühlenden Gases zu der Pumpe (42) bewirkt.
  3. Einheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungen (64 bis 78) jeweils eine gewundene Form aufweisen.
  4. Einheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die gewundene Form eine Schlangenlinie ist.
  5. Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von Batteriemodulen (16 bis 38) eine Ummantelung umfasst und dass zumindest ein Teil der Leitungen (64 bis 78) integriert in die Ummantelung eingeformt ist.
  6. Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass vier Expansionsventile (46, 48, 50, 52) vorgesehen sind.
  7. Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmetauscher (44) vorgesehen ist, der in Fluidverbindung mit der Pumpe (42) steht und der dem kühlenden Gas thermische Energie entzieht.
  8. Einheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (44) innerhalb des Hochdruck-Leitungssystems angeordnet ist.
  9. Einheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (44) innerhalb des Niederdruckleitungssystems angeordnet ist.
  10. Verfahren zum Betrieb einer Einheit aus einer Kühlvorrichtung und einem Batteriesatz nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: Kompression von kühlendem Gas mit Hilfe einer Pumpe, Zuleiten des komprimierten Gases zum Batteriesatz (12) durch ein Hockdruck-Leitungssystem, Dekompression des Gases durch eine Mehrzahl von Expansions-Ventilen, und Hindurchleiten des dekomprimierten Gases durch die durch den gesamten Batteriesatz (12) verlaufenden Niederdruckleitungen.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Batteriemodule (16 bis 38) Kanäle ausgebildet werden und das dekomprimierte kühlende Gas durch diese Kanäle geleitet wird.
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