DE19750069A1 - Akkumulatorenbatterie mit Temperiervorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Akkumulatorenbatterie mit mehreren Rundzellen, deren Zellwände mit einer Temperiervorrichtung in engem wärmeleitenden Kontakt stehen.

Hochbelastbare Batteriesysteme stellen eine wichtige Schlüsselkomponente für künftige Hybridfahrzeuge dar. Kennzeichen dieser Hybridfahrzeug-Batterien sind hohe Anforderun­ gen an deren Leistung bei relativ kleinem Energieinhalt. Typische Energieinhalte liegen da­ bei im Bereich von 3 bis 10 kWh. Die geforderten Leistungen bei Ladung und Entladung für ein typisches Fahrzeug können dabei bis zu 100 kW betragen. Neben dem reinen elektri­ schen Betrieb für Kurzstrecken ist bei den Hybridfahrzeugen auch ein Mischbetrieb vorgese­ hen, bei dem die Batterie als Energiequelle für eine verbesserte Beschleunigung benutzt wird. Schnelles Nachladen und hohe Entladeleistungen sind insbesondere bei dieser Be­ triebsart erforderlich. Naturgemäß sind die hohen Lade- und Entladeleistungen mit hohen internen Verlusten verbunden, die als Wärme in der Batterie anfallen. Die in der Batterie anfallenden Wärmeverluste entstehen im Innern der Zellen in den vom Lade- und Entlade­ strom durchflossenen Teilen. Sie kann nur über die Oberfläche durch Strahlung, Konvektion und Wärmeleitung (z. B. über den Boden oder die Mantelfläche) abgeführt werden. Bei großen Akkumulatorenbatterien ist das Verhältnis von Oberfläche zum Volumen so ungün­ stig, daß die im normalen Lade- und Entladebetrieb erzeugte Wärme erst bei Betriebstem­ peraturen oberhalb der für die Lebensdauer der Energiespeicher zuträglichen Werte abge­ geben werden kann. Die Folge ist eine Einschränkung der Nutzung durch notwendige Ab­ kühlungspausen oder eine reduzierte Lebensdauer. In großen Akkumulatorenbatterien mit 50 bis 300 Zellen kann sich zwischen Batteriemitte und Batterierand ein Temperaturgefälle von 5 bis 10 Kelvin einstellen. Aufgrund unterschiedlicher Zellentemperaturen wird dann der Voll-Ladezustand, durch die Temperaturabhängigkeit der Ladungsaufnahme und weiterer Prozesse wie Wasserstoffentwicklung oder Sauerstoffrekombination in wäßrigen Batterie­ systemen bedingt, zu unterschiedlichen Zeiten erreicht. Bei beschränkter Ladezeit führt dies zum Auseinanderlaufen des Ladezustandes der einzelnen Zellen und schließlich nach Überlastung der Zellen mit niedrigem Ladezustand zu deren Ausfall. In ähnlicher Weise trifft das auch für Akkumulatorenbatterien für rein elektrisch betriebene Straßenfahrzeuge zu.

Wegen der von den Automobilherstellern favorisierten Spannungslage von 300 bis 400 Volt muß eine Akkumulatorenbatterie auf Basis eines Nickel-Metallhydrid-Systems aus ca. 300 Einzelzellen bestehen. In Abhängigkeit von den geforderten Energieinhalten der Akkumula­ torenbatterie werden deshalb Zellen mit Kapazitäten zwischen 7 und 25 Ah gefordert. Zellen mit einer solchen Kapazität werden vorzugsweise als Rundzellen gefertigt, weil der Herstel­ lungsaufwand zur Fertigung solcher Zellen relativ gering ist. Eine aus Rundzellen aufgebaute Akkumulatorenbatterie wird in der DE-A 43 26 943 beschrieben. Die Zellen sind dabei in ei­ nem rechteckigen Kasten in der Weise angeordnet, daß die Stirnseiten der Zellen frei sind. Als Kühlung ist eine Luftströmung vorgesehen, die die durch die zwickelförmigen Hohlräume zwischen den Zellen gebildeten Kanäle nutzt. Hauptsächlich wegen der beschriebenen in­ ternen Zellenverluste erfährt eine solche Akkumulatorenbatterie bei einem typischen Hoch­ lastbetrieb eine schnelle Erwärmung, der mit einer gewöhnlichen Luftkühlung nur schwer zu begegnen ist. Einer der Gründe hierfür ist die mit 1,01 kJ/kg.K sehr geringe Wärmekapazität der Luft. Ein typischer Zyklenbetrieb z. B. eines aus 300 Zellen mit je 10 Ah Kapazität beste­ henden Akkumulatorenbatterie sieht wie folgt aus:

Ladung 1: 100 A (5 sec); Ladeleistung: ca. 44 kW; Ladeenergie: 61 Wh;
Ladung 2: 30 A (15,5 sec); Ladeleistung: ca. 13 kW; Ladeenergie: 56 Wh;
Entladung: 120 A (8 sec); Entladeleistung: ca. 42 kW; Entladeenergie: 93 Wh;
Pause: 31,5 sec; Verlustleistung: ca. 1600 W.

Die Energiedifferenz von ca. 22% zwischen Ladung und Entladung ist durch unterschiedli­ che Spannungslagen bedingt. Diese sind eine Folge von Ohm'schen Verlusten während des Zellenbetriebes sowie der Hysterese bei der Einzelpotentialkennlinie der positiven Nickel­ hydroxid-Elektrode.

Fig. 4 zeigt, daß sich eine mit Luft von 20°C gekühlte Batterie bei einer 80minütigen Be­ triebsdauer auf Werte oberhalb 60°C erwärmt, wobei in Abhängigkeit von der Zellengröße und der Anordnung der einzelnen Zelle (Nähe Lufteinlaß oder Luftauslaß) große Tempe­ raturunterschiede zwischen den einzelnen Zellen auftreten.

Für Akkumulatorenbatterien, die aus prismatischen Zellen aufgebaut sind, ist eine Flüssig­ kühlung der Zellen bekannt. So werden z. B. in der Gebrauchsmusterschrift G 92 10 384 plattenförmige, flüssigkeitsdurchströmte Kühlkörper offenbart, die jeweils zwischen den großen Seitenflächen benachbarter Zellen angeordnet werden. Die aus den einzelnen Zellen und den zwischen ihnen befindlichen Kühlkörpern bestehende Akkumulatorenbatterie wird durch einen Batterietrog zusammengehalten. Solche Zellen stellen den bevorzugten Typ für Traktionsbatterien dar. Plattenförmige Kühlkörper sind für Rundzellen wegen des dabei ver­ bleibenden Zwickelvolumens problematisch. Den Vorteilen druckstabiler und günstig zu ferti­ gender Rundzellen stehen die Nachteile entgegen, daß das Zwickelvolumen zwischen den Rundzellen elektrochemisch nicht nutzbar ist und daß das Volumen und damit das Gewicht der eingesetzten Temperierflüssigkeit steigt, wodurch die gravimetrische Energiedichte der Akkumulatorenbatterie erniedrigt wird.

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, eine aus mehreren Rundzellen bestehende Akkumulatorenbatterie mit einer Temperiervorrichtung anzugeben, die es gestattet, eine Vielzahl von Rundzellen unter Verzicht auf einen Batterietrog, lagefixiert kompakt anzuord­ nen und effektiv zu temperieren.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Akkumulatorenbatterie gelöst, wie sie in An­ spruch 1 definiert ist. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindungen sind in den An­ sprüchen 2 bis 7 dargelegt.

Die Akkumulatorenbatterie besteht danach aus mehreren in mindestens einer Reihe ange­ ordneten Rundzellen, die durch eine Temperiervorrichtung aus mindestens zwei von einem Kühlmedium durchströmten Hohlkörpern in ihrer räumlichen Lage zueinander fixiert werden, wobei die Hohlkörper auf ihren großen Seiten halbkreisförmige Ausbuchtungen aufweisen, deren Radien etwa denen der Zellen entsprechen. Durch die erfindungsgemäße Akkumula­ torenbatterie kann auf einen zusätzlichen Batterietrog oder -behälter verzichtet werden. Das die Hohlkörper durchströmende Kühlmedium wird auf Temperaturen zwischen +10°C und +45°C gehalten, damit die Zellen in dem für ihren Betrieb günstigen Temperaturbereich ar­ beiten. Die erfindungsgemäße Akkumulatorenbatterie kann mit Hilfe der Temperiervorrich­ tung bei Bedarf auch erwärmt werden.

Die Erfindung wird anhand der Fig. 1 bis 5 beispielhaft erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 - die Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Akkumulatorenbatterie,

Fig. 2 - die Schnittdarstellung entlang der Linie A-A,

Fig. 3 - die Schnittdarstellung entlang der Linie B-B,

Fig. 4 - den Temperaturverlauf einer luftgekühlten Hochleistungsbatterie und

Fig. 5 - den Temperaturverlauf in einer erfindungsgemäßen Akkumulatorenbatterie.

Gemäß den Fig. 1-3 sind die Zellen 1 der Akkumulatorenbatterie in Reihen in der Weise angeordnet, daß die Zellen 1 zu den Zellen der nächsten Reihe auf Lücke stehen. Eine Reihe von Zellen 1 wird dabei immer von zwei vom Temperiermedium durchströmten Hohlkörpern 2 fixiert. Der über die Stirnseiten 3 der Zellen 1 greifende Rand 4 der Hohlkör­ per 2 verhindert eine Lageveränderung der Zellen 1 in deren Längsrichtung. Die Hohlkörper 2 besitzen einen die Zellenreihen verlängerten Randbereich 5, auf dem die Zu- und Ablauf­ stutzen 6 so angeordnet sind, daß sie den Zu- und Ablaufstutzen 6 des die nächste Reihe umschließenden Hohlkörpers 2 gegenüber liegen. Die die letzten Reihen der Zellen 1 um­ schließenden Hohlkörper 2 besitzen nur auf der den Zellen 1 zugewandten großen Seite Ausbuchtungen 7. Vorteilhafterweise werden die Kontaktflächen zwischen Rundzellenober­ fläche und der Oberfläche der aufnehmenden halbkreisförmigen Ausbuchtungen 7 mit einem Wärmeleitmedium versehen, das zusätzlich zur Verbesserung des Wärmeübergangs bei­ trägt. Die beschriebenen Hohlkörper 2 werden vorteilhafterweise als Blasformkörper aus Kunststoff hergestellt. Damit wird zum einen eine kostengünstige Herstellung erreicht, zum anderen dient der Hohlkörper 2 gleichzeitig als elektrische Isolation der Zellen 1 untereinan­ der. Die Zellen 1 haben im allgemeinen einen Stahlmantel, der mit dem negativen Pol der Zellen in Verbindung steht. Die Hohlkörper 2 können auch aus Metall gefertigt sein, wenn für eine elektrische Isolation zwischen der Zellenoberfläche und dem Hohlkörper 2 gesorgt ist. Im Falle eines metallischen Zellengehäuses kann dies durch das Aufbringen einer dünnen elektrisch isolierenden Lackschicht erreicht werden, wobei diese den Wärmetransfer kaum beeinträchtigt. Wegen des geringen Gewichts werden die metallischen Hohlkörper 2 dann vorzugsweise aus Aluminium hergestellt. Der für elektrische Isolationszwecke wichtige Oberflächenfilm wird dann vorteilhafterweise durch Eloxieren hergestellt. Selbst bei relativ geringen Schichtdicken wird dadurch eine gute Isolationswirkung erzielt, die die Wärmeleit­ fähigkeit kaum beeinflußt. Alternativ dazu können die Zellen 1 auch mit einem Kunststoffge­ häuse versehen werden, so daß auf eine elektrische Isolationsschicht auf den metallischen Hohlkörpern 2 verzichtet werden kann.

Fig. 4 zeigt den Temperaturverlauf in einer luftgekühlten Akkumulatorenbatterie, die gemäß dem oben beschriebenen Lade- und Entlademodus betrieben wird. Die Kühlung wird mit 150 m³/h Luft von 20°C vorgenommen, wobei die Temperatur der wärmsten Zelle (⬩) gegenüber der kühlsten Zelle () innerhalb von 120 Minuten um ca. 40°C steigt und Absolutwerte von ca. 70°C erreicht.

Fig. 5 zeigt den Temperaturverlauf in einer erfindungsgemäßen Akkumulatorenbatterie, die gemäß dem oben beschriebenen Lade- und Entlademodus betrieben wird. Die umlaufende Temperierflüssigkeit wird dabei durch einen externen Wärmetauscher auf einem Temperaturniveau von ca. 30°C gehalten. Bei einer Umlaufrate von 100 l Wasser/h steigt das durchschnittliche Temperaturniveau der Batterie nur auf ca. 36°C, wobei die maximalen Temperaturdifferenzen in der Batterie zwischen den wärmsten Zellen (⬩) und den kühlsten Zelle () einen Wert von 5 K im wesentlichen nicht übersteigen. Für die Temperierung der Zellen der Akkumulatorenbatterie wird vorzugsweise ein Glykol/Wasser-Gemisch eingesetzt.

Claims (8)

1. Akkumulatorenbatterie mit mehreren Rundzellen, deren Zellenwände mit einer Temperier­ vorrichtung in einem engen, wärmeleitenden Kontakt stehen, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperiervorrichtung aus mindestens zwei von einem Temperiermedium durch­ strömten Hohlkörpern (2) besteht, die halbkreisförmige Ausbuchtungen (7) aufweisen, de­ ren Radien etwa denen der Zellen (1) entsprechen und die so angeordnet sind, daß sie die Zellen (1) in ihrer räumlichen Lage zueinander fixieren.

2. Akkumulatorenbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Zellenreihe von zwei Hohlkörpern (2) eingeschlossen ist, wobei die jeweils letzte Zellenreihe durch einen Hohlkörper (2) abgeschlossen wird, der nur auf der den Zellen (1) zugewandten Seite Ausbuchtungen (7) aufweist.

3. Akkumulatorenbatterie nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellenreihen auf Lücke zueinander angeordnet sind.

4. Akkumulatorenbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlkörper (2) einen über die Zellenreihen hinausreichenden Randbereich (5) be­ sitzen, in dem sich die Zu- und Ablaufstutzen (6) für das Temperiermedium befinden.

5. Akkumulatorenbatterie nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zu- und Ab­ laufstutzen (6) der einzelnen Hohlkörper (2) sich gegenüberliegen.

6. Akkumulatorenbatterie nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Hohlkörper (2) einen die Stirnseiten (3) der Zellen (1) überlappen­ den Rand (4) besitzen.

7. Akkumulatorenbatterie nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet daß die Hohlkörper (2) im Blasformverfahren aus Kunststoff hergestellt sind.

8. Akkumulatorenbatterie einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Temperiermedium ein Wasser/Glykol-Gemisch verwendet wird.