DE202010001201U1

DE202010001201U1 - Kühlsystem für die Batterie eines Elektrofahrzeugs

Info

Publication number: DE202010001201U1
Application number: DE202010001201U
Authority: DE
Original assignee: Rehau AG and Co
Current assignee: Rehau Automotive SE and Co KG
Priority date: 2010-01-21
Filing date: 2010-01-21
Publication date: 2011-06-01
Anticipated expiration: 2020-01-22
Also published as: EP2525992A2; WO2011088968A3; WO2011088968A2

Abstract

Kühlsystem (10) für die Batterie (16) eines Elektrofahrzeugs, mit wenigstens einem Latentwärmespeicher (18), der ein Speichermedium (20) aufweist, wobei das Speichermedium (20) durch Übertragung von Wärme auf ein Kühlmedium (22) abkühlbar ist, und mit wenigstens einem Kühlkreislauf (12), der von einer in dem Kühlkreislauf (12) aufgenommenen Kühlflüssigkeit durchströmbar ist, wobei das Speichermedium (20) wenigstens eine wärmeübertragende Verbindung (26) zu dem Kühlkreislauf (12) aufweist, die zum Abkühlen der Kühlflüssigkeit durch Übertragung von Wärmenergie auf das abgekühlte Speichermedium (20) vorgesehen ist, und wobei der Kühlkreislauf (12) mit wenigstens einem Bereich (14) der Batterie (16) zum Übertragen von Wärmeenergie auf die abgekühlte Kühlflüssigkeit wärmeübertragend verbindbar ist, wobei der Bereich (14) wenigstens eine Zelle der Batterie (16) umfasst.

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kühlsystem für die Batterie eines Elektrofahrzeugs.
Die Batterie eines Elektrofahrzeuges stellt die für den Betrieb des Elektrofahrzeugs erforderliche Energie bereit. Sie ist der einzige Energielieferant und weist in der Regel eine große Mehrzahl von Zellen, z. B. in Form von Lithium-Ionen-Zellen, auf. Um eine hinreichende Lebensdauer der Batterie zu gewährleisten, ist es erforderlich, die Batterie des Elektrofahrzeuges während des Betriebs des Elektrofahrzeugs hinreichend und möglichst homogen zu kühlen. Bei zu hohen Temperaturen altern die Zellen der Batterie wesentlich schneller und ihre Leistung und Kapazität geht zurück. Die Kühlung der Batterie erfolgt bei bekannten Elektrofahrzeugen meist mittels gekühlter Luft, die z. B. der klimatisierten Fahrgastzelle entnommen wird. Insbesondere bei Spitzenbelastungen, z. B. beim Bremsen und Beschleunigen des Elektrofahrzeugs, muss die Batterie in sehr kurzer Zeit eine hohe Leistung erbringen. Diese kurzzeitigen Spitzenbelastungen, bei denen sehr hohe Ströme fließen, führen aufgrund des Innenwiderstands der Batterie zur einer kurzzeitigen hohen Erwärmung bzw. Erhitzung der Batterie, die bei bekannten Elektrofahrzeugen nicht derart abgekühlt werden kann, dass diese kurzzeitige hohe Erwärmung keinen verkürzenden Einfluss auf die Lebensdauer der Batterie hat. Insbesondere kann es im Einzelfall zum einem Durchbrennen einzelner Zellen der Batterie kommen.
Zugrundeliegende Aufgabe
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Kühlsystem für die Batterie eines Elektrofahrzeugs anzugeben, das zusätzlich zu bekannten Kühlvorrichtungen einsetzbar ist und mit welchem die Lebensdauer der Batterie wesentlich verlängert werden kann.
Erfindungsgemäße Lösung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Kühlsystem für die Batterie eines Elektrofahrzeugs mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Das erfindungsgemäße Kühlsystem für die Batterie eines Elektrofahrzeugs weist wenigstens einen Latentwärmespeicher mit einem Speichermedium auf. Ein Latentwärmespeicher ist bekannterweise ein Wärmespeicher, der eingerichtet ist, thermische Energie verborgen („latent” vom Lateinischen „latere” bedeutet „verborgen sein”), verlustarm, mit vielen Wiederholzyklen und über lange Zeit zu speichern. Als Speichermedium dienen hierbei bekannterweise sogenannte „Phase Change”-Materialien bzw. „Phasenwechselmaterialien” (Abk.: PCM), deren latente Schmelzwärme, Lösungswärme oder Absorptionswärme wesentlich größer ist als die spezifische Wärmekapazität der gleichen Menge eines Stoffes ohne Phasenumwandlung.
Latentwärmespeicher funktionieren daher durch die Ausnutzung der Enthalpie reversibler thermodynamischer Zustandsänderungen des Speichermediums, wie zum Beispiel des Phasenübergangs fest-flüssig (Erstarren/Schmelzen), wobei die Ausnutzung des Phasenübergangs fest-flüssig sehr oft angewandt wird.
Das Speichermedium des Latentwärmespeichers des erfindungsgemäßen Kühlsystems ist durch Übertragung von Wärme auf ein Kühlmedium abkühlbar, wobei das Speichermedium vorzugsweise eine Phasenübergangstemperatur für den Phasenübergang fest-flüssig aufweist, die innerhalb eines Bereichs von 253 Grad Kelvin bis 293 Grad Kelvin, vorzugsweise innerhalb eines Bereiches von 263 Grad Kelvin bis 280 Grad Kelvin liegt.
Das Speichermedium ist vorzugsweise in einem formstabilen wärmeisolierten Speicherbehälter eingeschlossen. Es kann beispielsweise rein aus Wasser oder aus einer eutektischen Mischung von Wasser mit mindestens einem Salz oder auch aus einer geringprozentigen Glykolwassermischung mit Glykol als Frostschutzmittel bestehen. Eine vorteilhafte Salz-Wasser-Mischung besteht aus 19,5% KCl/H₂O (mit KCl gleich Kaliumchlorid und H₂O gleich Wasser). Die Minderung der spezifischen Schmelzwärme durch die Zusätze gegenüber reinem Wasser ist aufgrund der geringen Konzentration bei dem Anwendungsfall ohne Bedeutung. Beim Phasenübergang von flüssig nach fest entsteht somit eine Suspension von Eiskristallen in der Solelösung, die zwar eine erhebliche Volumenänderung beim Gefrieren aufweist aber die sonst übliche Sprengwirkung von gefrierendem Wasser sicher vermeidet. Im Falle eines rein aus Wasser bestehenden Speichermediums ist der Speicherbehälter derart gefüllt, dass der Wasserspiegel mit dem Behälter einen Pufferbereich einschließt, der die thermisch und phasenwechselseitigen bedingten Ausdehnungen des Wassers ausgleicht. Vorzugsweise ist das Speichermedium in eine Matrix aus thermisch gut leitendem Material eingebettet wie beispielsweise Grafit.
Als abkühlendes Kühlmedium, welches also dafür vorgesehen ist, dem Speichermedium des Latentwärmespeichers Wärmeenergie zu entziehen, kann ein beliebiges Kühlmedium vorgesehen sein, wie beispielsweise während des Fahrbetriebs in den Motorbereich des Elektrofahrzeugs einströmende Außenluft oder aus einer gekühlten Fahrgastzelle herausgeführte Luft. Durch Ausnutzung des Phasenübergangs fest-flüssig des Speichermediums kann dem Speichermedium mittels des Kühlmediums bis zur vollständigen Erstarrung eine große Wärmemenge entzogen werden, die bei einem Schmelzvorgang von dem Speichermedium auch wieder aufgenommen werden kann.
Das Speichermedium des Latentwärmespeichers weist wenigstens eine wärmeübertragende Verbindung zu einem Kühlkreislauf auf, der von einer in dem Kühlkreislauf aufgenommenen Kühlflüssigkeit durchströmbar ist. Über die wärmeübertragende Verbindung des Speichermediums zu dem Kühlkreislauf kann die Kühlflüssigkeit durch Übertragung von Wärmenergie auf das abgekühlte Speichermedium sehr wirksam abgekühlt werden. Insbesondere kann infolge der Ausnutzung des Phasenübergangs fest-flüssig des Speichermediums eine große Wärmemenge der Kühlflüssigkeit auf das Speichermedium übertragen werden. Durch Vorsehen des Latentwärmespeichers ist somit eine Kühlung der Kühlflüssigkeit möglich, die bedingt durch die Eigenschaften des Latentwärmspeichers bzw. des Speichermediums nahezu unabhängig von vergleichsweise kurzzeitigen Betriebsänderungen des Elektrofahrzeugs ist. Die in dem Kühlkreislauf aufgenommene Kühlflüssigkeit stellt somit durch entsprechende Kühlung mittels des Speichermediums eine Wärmequelle mit entsprechend gesenkter Temperatur dar. Als Kühlflüssigkeit kann z. B. eine Alkohol-Wasser-Mischung vorgesehen, oder jede weitere an sich bekannte Kühlflüssigkeit sein deren Erstarrungstemperatur unterhalb der Umwandlungstemperatur des Speichermediums des Latentwärmespeichers liegt.
Es ist vorgesehen, dass der Kühlkreislauf mit wenigstens einem Bereich der Batterie, der wenigstens eine Zelle der Batterie umfasst, zum Übertragen von Wärmeenergie auf die abgekühlte Kühlflüssigkeit wärmeübertragend verbindbar ist. Über eine wärmeübertragbare Verbindung des Kühlkreislaufs mit wenigstens einem Bereich der Batterie kann die in dem Bereich der Batterie aufgenommene bzw. gespeicherte Wärmeenergie auf die abgekühlte Kühlflüssigkeit übertragen und der Bereich abgekühlt werden. Durch entsprechendes Zirkulieren der Kühlflüssigkeit in dem Kühlkreislauf können durch die Kühlung des Bereichs der Batterie erwärmte Mengen der Kühlflüssigkeit der wärmeübertragenden Verbindung des Kühlkreislaufs mit dem Speichermedium zugeführt werden, um diese Mengen abzukühlen. Hierfür kann der Kühlkreislauf eine Fördereinrichtung z. B. in Form einer Umwälzpumpe aufweisen. Insbesondere kann der Kühlkreislauf auch mit einem Bereich der Batterie wärmeübertragend verbindbar sein, der alle Zellen der Batterie umfasst, einhergehend einer nahezu bzw. im Wesentlichen die gesamte Batterie erfassenden Kühlung.
Da durch Vorsehen des Latentwärmespeichers eine Kühlung der Kühlflüssigkeit möglich ist, die bedingt durch die Eigenschaften des Latentwärmspeichers bzw. des Speichermediums nahezu unabhängig von vergleichsweise kurzeitigen Betriebsänderungen des Elektrofahrzeugs ist, ist somit auch eine entsprechende sehr stabile und wirksame Kühlung wenigstens eines Bereichs der Batterie möglich, welche eine üblicherweise vorgesehene Batteriekühlung bzw. Batterie-Kühlvorrichtung sehr wirksam unterstützt, einhergehend mit einer wesentlichen Verlängerung der Lebensdauer der Batterie.
Bei einer praktischen Ausführungsform ist eine Mehrzahl von voneinander getrennten Kühlkreisläufen vorgesehen, wobei jeder Kühlkreislauf mit jeweils einem Bereich einer Mehrzahl verschiedener Bereiche der Batterie wärmeübertragend verbindbar ist, wobei der Bereich eine Zelle oder höchstens 25 zueinander benachbarte Zellen umfasst. Besonders bevorzugt ist bei dieser praktischen Ausführungsform für jeden Bereich wenigstens ein Temperaturmessfehler vorgesehen, der zur Messung der Temperatur des Bereichs an diesem anbringbar ist, und wobei das Kühlsystem eine Steuereinrichtung aufweist, die eingerichtet ist, die gemessene Temperatur des Bereichs mit einem vorgegebenen Maximalwert zu vergleichen und bei Überschreiten des Maximalwerts, eine Durchströmung des Kühlkreislaufs mit der abgekühlten Kühlflüssigkeit zu veranlassen.
Durch Vorsehen der Mehrzahl der voneinander getrennten Kühlkreisläufe können gezielt einzelne verschiedene Bereiche, also insbesondere voneinander beabstandete oder aneinander angrenzende Bereiche der Batterie überwacht werden, derart, dass bei Überschreiten einer kritischen Temperatur eines Bereichs eine Durchströmung des Kühlkreislaufs veranlasst wird, der mit diesem Bereich wärmeübertragend verbunden ist, einhergehend mit einer Kühlung bzw. Gegenkühlung dieses Bereichs. Die Mehrzahl von voneinander getrennten Kühlkreisläufen kann dabei vorzugsweise von einem zentralen Kühlkreislauf gespeist sein, wobei weiter vorzugsweise vorgesehen ist, dass die voneinander getrennten Kühlkreisläufe mit Hilfe von Ventilen gezielt mit der Kühlflüssigkeit durchströmbar sind. Insbesondere ist es möglich, ein eventuelles Durchbrennen einer oder mehrerer Zellen, dem meist eine starke Temperaturerhöhung vorausgeht, durch entsprechendes Gegenkühlen bzw. Kühlen des jeweiligen Bereichs zu vermeiden. Sollte dennoch ein Durchbrennen einer oder mehrer Zellen, z. B. infolge einer sehr hohen Spitzenbelastung während des Fahrbetriebs des Elektrofahrzeugs erfolgen, kann dieses Durchbrennen hinreichend schnell und gezielt unterbunden werden, um Folgeschäden an der gesamten Batterie zu vermeiden. Insbesondere können sämtliche dieser Bereiche in ihrer Gesamtheit die gesamte Batterie bzw. im wesentlichen die gesamte Batterie umfassen, derart, dass die Summe der Zellen aller Bereiche der gesamten Zellen-Anzahl der Batterie bzw. im wesentlichen der gesamten Zellen-Anzahl der Batterie entspricht.
Die Erfindung betrifft ferner ein Elektrofahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Kühlsystem. Bei einer praktischen Ausführungsform des Elektrofahrzeugs ist zur Bereitstellung der wärmeübertragenden Verbindung des Kühlkreislaufs zu dem Bereich der Batterie ein Luft-Flüssigkeits-Wärmetauscher mit einem Gebläse vorgesehen, wobei der Luft-Flüssigkeits-Wärmetauscher von der Kühlflüssigkeit durchströmbar ist und das Gebläse eingerichtet ist, die bei Durchströmen des Luft-Flüssigkeits-Wärmetauschers abgekühlte Luft zu dem Bereich zu lenken. Mit dieser praktischen Ausführungsform ist eine praktische Luftkühlung des jeweiligen Batterie-Bereichs möglich.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Figur näher erläutert, die sehr schematisch ein erfindungsgemäßes Kühlsystem 10 mit zwei Kühlkreisläufen 12 zeigt, die jeweils mit einem von zwei räumlich voneinander getrennten Bereichen 14 einer Batterie 16 eines Elektrofahrzeugs wärmeübertragend verbunden sind.
Das in der Figur dargestellte Kühlsystem 10 für die Batterie 16 eines Elektrofahrzeugs weist einen Latentwärmespeicher 18 mit einem Speichermedium 20 auf. Das Speichermedium 20 ist durch Übertragung von Wärme auf ein Kühlmedium 22 abkühlbar, wie in der Figur durch den Pfeil symbolisiert. Als Kühlmedium 22 kann ein beliebiges Kühlmedium 22 dienen, wie beispielsweise während des Fahrbetriebs in den Motorbereich des Elektrofahrzeugs einströmende Außenluft oder aus einer gekühlten Fahrgastzelle herausgeführte Luft. Insbesondere kann das Kühlmedium 22 durch den Verdampferbereich einer Wärmepumpe gebildet sein, vorzugsweise durch den Verdampferbereich einer Wärmepumpe mit CO₂ als Kältemittel.
Das Kühlsystem 10 weist zwei voneinander getrennte Kühlkreisläufe 12 auf, wobei jeder Kühlkreislauf 12 von einer Kühlflüssigkeit (nicht näher dargestellt) durchströmbar ist und eine Umwälzpumpe 24 aufweist, um die Kühlflüssigkeit in dem Kühlkreislauf 12 zu zirkulieren. Die Kühlkreisläufe 12 müssen nicht, wie in der Figur veranschaulicht, räumlich voneinander getrennt sein. Sie können auch gemeinsame Abschnitte aufweisen. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Kühlkreisläufe lediglich voneinander getrennt sind, was bedeutet, dass in jedem Kreislauf eine von den übrigen Kreisläufen unabhängige bzw. getrennte Zirkulation von Kühlflüssigkeit möglich ist, also insbesondere auch eine Zirkulation in nur einem einzigen der Kühlkreisläufe.
Das Speichermedium 20 weist zu jedem der beiden Kühlkreisläufe 12 eine schematisch dargestellte wärmeübertragende Verbindung 26 auf, die zum Abkühlen der Kühlflüssigkeit durch Übertragung von Wärmenergie auf das abgekühlte Speichermedium 20 vorgesehen ist. Die hier nur schematisch dargestellte wärmeübertragende Verbindung 26 kann in beliebiger Weise ausgebildet bzw. bereitgestellt sein. Insbesondere kann die wärmeübertragende Verbindung 26 durch Kontakt des Speichermediums 20 zu einem Abschnitt des Kühlkreislauf 12 bereitgestellt sein.
Jeder Kühlkreislauf 12 weist zu einem Bereich 14 der Batterie in Form einer Batteriekammer 14 eine wärmeübertragende Verbindung 26 auf. Jede Batteriekammer 14 weist bei diesem Ausführungsbeispiel sechzehn Zellen 27 in Form von Lithium-Ionen-Zellen 27 auf. Auch die wärmeübertragende Verbindung 26 eines der Kühlkreisläufe 12 zu dem Bereich 14 der Batterie kann in beliebiger Weise ausgebildet bzw. bereitgestellt sein. Insbesondere kann diese wärmeübertragende Verbindung durch ein metallisches Kühlelement bereitgestellt sein (hier nicht dargestellt), welches als Teil des Kühlkreislaufs 12 von der Kühlflüssigkeit durchströmbar ist, und welches wenigstens bereichsweise einen Kontakt zu dem Bereich 14 bzw. zu den Zellen des Bereichs 14 aufweist.
Für jeden der beiden Bereiche 14 ist ein Temperaturmessfühler 28 vorgesehen, der zur Messung der Temperatur des Bereichs 14 an diesem angebracht ist. Das Kühlsystem 10 weist ferner eine Steuereinrichtung 30 auf, die eingerichtet ist, die gemessene Temperatur jedes der beiden Bereiche 14 mit einem vorgegebenen Maximalwert zu vergleichen. Sobald die gemessene Temperatur eines oder beider Bereiche 14 den Maximalwert überschreitet, veranlasst die Steuereinrichtung 30 eine Durchströmung des entsprechenden Kühlkreislaufs 12 bzw. eine Durchströmung beider Kühlkreisläufe 12 mit der abgekühlten Kühlflüssigkeit durch Aktivierung der Umwälzpumpe 24.
Bezugszeichenliste

10: Kühlsystem
12: Kühlkreislauf
14: Bereich Batterie
16: Batterie
18: Latentwärmespeicher
20: Speichermedium
22: Kühlmedium
24: Umwälzpumpe
26: wärmeübertragende Verbindung
27: Zelle
28: Temperaturmessfühler
30: Steuereinrichtung

Claims

Kühlsystem (10) für die Batterie (16) eines Elektrofahrzeugs, mit wenigstens einem Latentwärmespeicher (18), der ein Speichermedium (20) aufweist, wobei das Speichermedium (20) durch Übertragung von Wärme auf ein Kühlmedium (22) abkühlbar ist, und mit wenigstens einem Kühlkreislauf (12), der von einer in dem Kühlkreislauf (12) aufgenommenen Kühlflüssigkeit durchströmbar ist, wobei das Speichermedium (20) wenigstens eine wärmeübertragende Verbindung (26) zu dem Kühlkreislauf (12) aufweist, die zum Abkühlen der Kühlflüssigkeit durch Übertragung von Wärmenergie auf das abgekühlte Speichermedium (20) vorgesehen ist, und wobei der Kühlkreislauf (12) mit wenigstens einem Bereich (14) der Batterie (16) zum Übertragen von Wärmeenergie auf die abgekühlte Kühlflüssigkeit wärmeübertragend verbindbar ist, wobei der Bereich (14) wenigstens eine Zelle der Batterie (16) umfasst.
Kühlsystem (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von voneinander getrennten Kühlkreisläufen (12) vorgesehen ist, wobei jeder Kühlkreislauf mit jeweils einem Bereich (14) einer Mehrzahl verschiedener Bereiche (14) der Batterie (16) wärmeübertragend verbindbar ist, wobei der Bereich (14) eine einzelne Zelle (27) oder höchstens 25 zueinander benachbarte Zellen (27) umfasst.
Kühlsystem (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl von voneinander getrennten Kühlkreisläufen (12) von einem zentralen Kühlkreislauf gespeist sind.
Kühlsystem (10) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden Bereich (16) wenigstens ein Temperaturmessfühler vorgesehen ist, der zur Messung der Temperatur des Bereichs (16) an diesem anbringbar ist, und dass das Kühlsystem (10) eine Steuereinrichtung (30) aufweist, die eingerichtet ist, die gemessene Temperatur des Bereichs (16) mit einem vorgegebenen Maximalwert zu vergleichen und bei Überschreiten des Maximalwerts, eine gezielte Durchströmung des Bereichs mittels des Kühlkreislaufs mit der abgekühlten Kühlflüssigkeit zu veranlassen.
Kühlsystem (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichermedium eine Phasenübergangstemperatur für den Phasenübergang fest-flüssig aufweist, die innerhalb eines Bereichs von 253 Grad Kelvin bis 293 Grad Kelvin, vorzugsweise innerhalb eines Bereiches von 263 Grad Kelvin bis 280 Grad Kelvin liegt.
Kühlsystem (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium (22) durch den Verdampferbereich einer Wärmepumpe gebildet ist, vorzugsweise durch den Verdampferbereich einer Wärmepumpe mit CO₂ als Verdampfermittel.
Elektrofahrzeug mit einem Kühlsystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
Elektrofahrzeug nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bereitstellung der wärmeübertragenden Verbindung (26) des Kühlkreislaufs (12) zu dem Bereich (14) der Batterie (16) ein Luft-Flüssigkeits-Wärmetauscher mit einem Gebläse vorgesehen ist, wobei der Luft-Flüssigkeits-Wärmetauscher von der Kühlflüssigkeit durchströmbar ist und das Gebläse eingerichtet ist, die bei Durchströmen des Luft-Flüssigkeits-Wärmetauschers abgekühlte Luft zu dem Bereich (16) zu lenken.
Elektrofahrzeug nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bereitstellung der wärmeübertragenden Verbindung (26) des Kühlkreislaufs (12) zu dem Bereich (14) der Batterie (16) ein aktiv kühlbarer Wärmetauscher vorgesehen ist, wobei der aktiv kühlbare Wärmetauscher von der Kühlflüssigkeit durchströmbar und thermisch leitend mit dem Bereich (14) der Batterie (16) verbunden ist.
Elektrofahrzeug nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der aktiv kühlbare Wärmetauscher aus einem metallischen Werkstoff, vorzugsweise Aluminium, weiter vorzugsweise Kupfer gebildet ist.