DE202014010473U1 - Passive temperature control of batteries through two-phase heat transfer and storage - Google Patents
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Abstract
Batterie oder Akkumulator (8), mit – zumindest einer Batteriezelle (1, 1A, 1B, 1C, 1D, 1E) und – einer Temperatursteuerung für die Batteriezellen (1, 1A, 1B, 1C, 1D, 1E), dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatursteuerung: – zumindest eine Vapor Chamber (2, 2A, 2B), die mit einer ersten Batteriekontaktoberfläche (4) direkt mit der Oberfläche der mindestens einen Batteriezelle (1, 1A, 1B, 1C, 1D, 1E) in Kontakt steht und – Wärmeleitrohre (10), die teilweise auf einer zweiten Wärmeleitrohrkontaktoberfläche (4) der Vapor Chamber (2, 2A, 2B) angeordnet sind und aus der Batterie (8) zu einem Wärmetauscher (20) herausführen, aufweist.Battery or accumulator (8), comprising - at least one battery cell (1, 1A, 1B, 1C, 1D, 1E) and - a temperature control for the battery cells (1, 1A, 1B, 1C, 1D, 1E), characterized in that the temperature control: - at least one vapor chamber (2, 2A, 2B) which is in direct contact with the surface of the at least one battery cell (1, 1A, 1B, 1C, 1D, 1E) with a first battery contact surface (4), and Heat pipes (10) partially on a second Wärmeleitrohrkontaktoberfläche (4) of the vapor chamber (2, 2A, 2B) are arranged and lead out of the battery (8) to a heat exchanger (20) has.
Description
Die Erfindung betrifft eine Batterie mit einer Temperatursteuerung.The invention relates to a battery with a temperature control.
Es ist heute üblich, Batterien (Akkumulatoren) für die Zwischenspeicherung von elektrischer Energie für Bedarfsfälle einzusetzen. Typische Anwendungen sind Hausbatterien, Noffallbatterien, insbesondere aber auch Hybridfahrzeuge und Elektrofahrzeuge, eingeschlossen Schienenfahrzeuge und Luftfahrzeuge.It is common today to use batteries (accumulators) for the caching of electrical energy for needs. Typical applications are home batteries, Noffallbatterien, but especially also hybrid vehicles and electric vehicles, including rail vehicles and aircraft.
Batterien haben optimale Nutzungstemperaturbereiche und es ist bekannt, dass die Batterieleistung bei zu tiefer Temperatur stark abnimmt und bei erhöhter Temperatur eine mögliche Zersetzung der Batterie, eingeschlossen Brand/Oxidation eintreten kann.Batteries have optimum operating temperature ranges, and it is known that battery performance decreases sharply if the temperature is too low, and if the temperature is elevated, possible decomposition of the battery, including fire / oxidation, may occur.
Um somit einen optimalen Arbeitstemperaturbereich für derartige Batterien einzustellen, werden verschiedenste Lösungen vorgeschlagen.In order to set an optimal working temperature range for such batteries, various solutions are proposed.
Das
Die
Die offengelegte
DAIMLER schlägt zu diesem Zweck in der
Auch die
Technisches ProblemTechnical problem
Es ist Aufgabe der Erfindung, die bisherigen Wärmesteuerungen von Batterien zu verbessern und insbesondere auch den Verlust an Wärmeenergie innerhalb eines Systems, welches die Batterie einsetzt, zu vermeiden.It is an object of the invention to improve the previous thermal control of batteries and in particular to avoid the loss of heat energy within a system that uses the battery.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäss durch eine Batterieanordnung mit den Merkmalen des Patentansprueches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.The object is achieved by a battery assembly with the features of patent claim 1. Advantageous developments emerge from the dependent claims.
Eine gattungsgemässe Batterie oder Akkumulator, weist mindestens eine Batteriezelle und eine Temperatursteuerung für die Batteriezellen auf, wobei die Temperatursteuerung: zumindest eine Vapor Chamber, die mit einer ersten Batteriekontaktoberfläche direkt mit der Oberfläche der mindestens einen Batteriezelle in Kontakt steht und Wärmeleitrohre, die teilweise auf einer zweiten Wärmeleitrohrkontaktoberfläche der Vapor Chamber angeordnet sind und aus der Batterie zu einem Wärmetauscher herausführen, aufweist.A generic battery or accumulator has at least one battery cell and a temperature control for the battery cells, wherein the temperature control: at least one vapor chamber, which is in direct contact with the surface of the at least one battery cell with a first battery contact surface and heat pipes, partially on a second Wärmeleitrohrkontaktoberfläche the vapor chamber are arranged and lead out of the battery to a heat exchanger having.
Durch diese passive Wärmesteuerung kann bedarfsweise sehr schnell Wärme aus der Batterie herausgeführt werden und Überhitzung derselben beim Laden oder aufgrund von Kriechströmen bei Materialfehlern vermieden werden. Besonders bei den Li-Zellen ist dies äusserst sinnvoll, da diese sich leicht entzünden und zu Bränden führen können. Einige spektakuläre Unfälle mit diesen Batterietypen in Elektro-Autos und auch bei Laptops und sonstigen Mobilgeräten sorgten dafür, dass diese grossen Sicherheitsbeschränkungen bps. Im Luftverkehr unterworfen werden. Da chemische Reaktionen, die für die Batteriebrände verantwortlich sind, exotherm verlaufen und Reaktionswärme benötigen, kann eine schnelle Entwärmung dieser Batterien die Sicherheit derselben erhöhen.As a result of this passive heat control, heat can be led out of the battery very quickly if necessary, and overheating of the same during charging or due to leakage currents in the case of material defects can be avoided. This is particularly useful for Li cells, as they can easily ignite and lead to fires. Some spectacular accidents involving these battery types in electric cars, laptops, and other mobile devices have made these major security bps. To be subjected to air traffic. Since chemical reactions responsible for the battery fires are exothermic and require heat of reaction, rapid heat dissipation of these batteries can increase their safety.
Ferner ist bekannt, dass Batterien generell einen Arbeitstemperaturbereich, in dem sie optimal arbeiten, haben. Daher ist es sinnvoll, diese innerhalb des erwünschten Temperaturbereichs zu halten.It is also known that batteries generally have a working temperature range in which they operate optimally. Therefore, it makes sense to keep them within the desired temperature range.
Erfindungsgemäss wird dazu die Wärmeaufnahmeoberfläche der Vapor Chamber zwischen zwei Batteriezellen einer Batterie angeordnet und an diese zwecks optimalen Wärmeübergangs angepasst. Bspw. kann die Wärmeleitrohrkontaktoberfläche der Vapor Chamber Vertiefungen zur Aufnahme der Wärmeleitrohrinnenabschnitte haben, um eine grössere Wärmeübergangsfläche zwischen Wärmeleitrohr und Vapor Chamber mit besserem Wärmetransfer herzustellen.According to the invention, the heat absorption surface of the vapor chamber between two Battery cells arranged a battery and adapted to this for optimum heat transfer. For example. For example, the heat pipe contacting surface of the vapor chamber may have recesses for receiving the heat pipe inner sections to produce a larger heat transfer area between the heat pipe and the vapor chamber with better heat transfer.
Die Auswahl der Wärmeleitrohre ist für den Fachmann auf dem Gebiet der Wärmeleitrohre aufgrund seines Fachwissens entsprechend den Anforderungen (Explosionssicherheit und/oder hohe Effizienz und/oder rechtliche Vorschriften und räumlicher Gegebenheiten) ohne erfinderisches Zutun möglich und sie können ausgewählt werden aus Thermosiphon, Wärmeleitrohre, Variable Conductance Wärmeleitrohre, Loop-Wärmeleitrohre (Loop-Wärmeleitrohre), auch Thermosiphon-Loops und kapillar gepumpte Wärmeleitrohr-Schleifen (capillary pumped Loops – CPL), wobei der Wärmeleitrohr-Aussenabschnitt im Wärmetauscher verläuft und der Wärmeleitrohrinnenabschnitt zwischen den Batteriezellen auf den Vapor Chambersausgeführt ist.The selection of the heat pipes is possible for those skilled in the field of heat pipes due to its expertise according to the requirements (explosion safety and / or high efficiency and / or legal requirements and spatial conditions) without inventive step and they can be selected from thermosyphon, heat pipes, variable Conductance heat pipes, loop heat pipes, also thermosyphon loops and capillary pumped loops (CPL), with the heat pipe outer section running in the heat exchanger and the heat pipe inside section between the battery cells running on the vapor chambers.
Bei einer einfachen Ausführungsform der Erfindung, die lediglich die Batteriezellen kühlt, ist der Wärmeleitrohrinnenabschnittals Kondensationszone und der Wärmeleitrohraussenabschnitt als Verdampfungszone im Wärmetauscher zum Erwärmen der Batteriezellen ausgeführt.In a simple embodiment of the invention, which cools only the battery cells, the Wärmeleitrohrinnenabschnitt is carried out as a condensation zone and the Wärmeleitrohraussenabschnitt as the evaporation zone in the heat exchanger for heating the battery cells.
Es ist sinnvoll, dass die Vapor Chamber zumindest abschnittsweise aus elektrisch nicht leitendem Material hergestellt ist und bevorzugt als elektrischer Isolator zwischen dem Vaporchamber Kontaktabschnitt und der Vaporchamberwärme-leitrohrkontaktfläche ausgeführt ist, um Kriechströme zu vermeiden.It is useful that the vapor chamber is at least partially made of electrically non-conductive material and is preferably designed as an electrical insulator between the Vaporchamber contact portion and the Vaporchamberwärme leitrohrkontaktfläche to avoid leakage currents.
Bevorzugt wird im Temperaturregelsystem ein aussenliegender Wärmetauscher zum Er- oder Entwärmen der Batteriezellen zwecks Regelung der Batterietemperatur zur Leistungsoptimierung derselben vorgesehen und das Wärmetauschermedium ausgewählt ist aus: fluiden Materialen, Luft, Kühlmittel aus dem Kühlmittelkreislauf, PCMs oder einem Feststoffwärmespeicher-material, umfassend Zeolith, Salzhydrate oder Phasenänderungsmaterial, umfassend Paraffine und Fettsäuren, vorgesehen sind und das mindestens eine Wärmerohr, das an einem Ende über die Vapor Chamber thermisch mit der Batterie verbunden ist, als Heizvorrichtung die Batterie über die Vapor Chamber erwärmt und/oder als eine Kühlvorrichtung, die die Batterie über die Vapor Chamber entwärmt, arbeiten kann.In the temperature control system, an external heat exchanger is preferably provided for warming or warming the battery cells for regulating the battery temperature for optimizing their performance, and the heat exchanger medium is selected from: fluid materials, air, coolant from the coolant circuit, PCMs or a solid heat storage material comprising zeolite, salt hydrates or phase change material, comprising paraffins and fatty acids, and the at least one heat pipe thermally connected to the battery at one end via the vapor chamber, as a heating device, heats the battery via the vapor chamber and / or as a cooling device that houses the battery cooled over the Vapor Chamber, can work.
Je nach Einsatz der Batterie – ob mobil in Fahrzeugen aller Art-Gewichts- und Raumerfordernissen- oder als stationäre Batterie in permanenten oder vorübergehenden Bauwerken, Zeltstädten, als Pufferbatterie etc. – ist es möglich, geeignete Wärmeleiteinrichtungen auszuwählen.Depending on the use of the battery - whether mobile in vehicles of all types - weight and space requirements - or as a stationary battery in permanent or temporary structures, tent cities, as a backup battery, etc. - it is possible to select suitable heat conduction.
Die mindestens eine Batteriezelle kann ausgewählt sein aus rechteckigen säulenförmigen Batteriezellen, laminierten Batteriezellen und zylindrischen Batteriezellen.The at least one battery cell may be selected from rectangular columnar battery cells, laminated battery cells, and cylindrical battery cells.
Bei vielen Anwendungen sind die Wärmeleitrohraussenabschnitte mit Wärmeleitblechen verbunden, welche schnelle und grosse Wärmedissipation von der Oberfläche ermöglichen.In many applications, the Wärmeleitrohraussenabschnitte are connected to Wärmeleitblechen that allow rapid and large heat dissipation from the surface.
Je nach Anforderung können auch unterschiedliche Wärmeleitrohre – sowohl hinsichtlich des Arbeitsmediums als auch der Bauweise, eingesetzt werden.Depending on the requirements, it is also possible to use different heat pipes - both in terms of the working medium and the design.
Erfindungsgemässe werden flächige Wärmeleitrohre – auch Vapor-Chambers oder Heat-Spreader genannt, zwischen den Batteriezellen angeordnet, welche lokal auftretende Wärmespitzen sofort über ihre Fläche dissipieren. Vapor Chambers sind erheblich schneller und effizienter als klassische Heatsinks, deren Wärmeleitfähigkeit sie leicht um das Hundertfache übertreffen und damit eine extrem schnelle Wärmeverteilung und auch – gemeinsam mit den Wärmeleitrohren – leitung aus und in die Batterie ermöglichen.According to the invention, sheet-like heat pipes - also called vapor chambers or heat spreaders - are arranged between the battery cells, which dissipate locally occurring heat peaks immediately over their surface. Vapor Chambers are significantly faster and more efficient than traditional heatsinks, whose thermal conductivity is slightly more than 100 times greater, allowing for extremely fast heat distribution and, together with the heat pipe, to conduct out of and into the battery.
Auf mindestens einer Oberfläche der Vapor-Chambers sind Wärmeleitrohre in innigem thermischen Kontakt angeordnet. Dabei kann die Oberflächenstruktur der Vapor Chamber so ausgelegt sein, dass sie die Wärmeleitrohre dreiseitig umgibt und dadurch einen guten Wärmeübergang ermöglicht.On at least one surface of the vapor chambers heat pipes are arranged in intimate thermal contact. The surface structure of the Vapor Chamber can be designed so that it surrounds the heat pipes on three sides and thus allows a good heat transfer.
Die Wärmeleitrohre durchlaufen ausserhalb der Batterie einen Wärmespeicher, bevorzugt einen Latentwärmespeicher, welcher die latente Wärme des Arbeitsfluids der Wärmeleitrohre aufnimmt. Es kann günstig sein, dazu Loop-Wärmeleitrohre einzusetzen, welche grosse Wärmetransportfähigkeiten haben.Outside the battery, the heat pipes pass through a heat accumulator, preferably a latent heat accumulator, which receives the latent heat of the working fluid of the heat pipes. It may be beneficial to use loop heat pipes, which have great heat transport capabilities.
Ein Wärmeleitrohrtyp ist so ausgewählt, dass er Wärme ab einer bestimmten Initialtemperatur der Batteriezellen aus der Batterie abtransportiert und mindestens ein Wärmeleitrohrtyp ist so ausgewählt, dass er Wärme bei einer vorbestimmten Minimum-Temperatur der Batterie wieder aus dem Wärmespeicher in die Batterie über den Heat-Spreader liefert. Durch die beiden Wärmeleitrohrtypen kann ein Batterietemperaturbereich eingestellt werden und Überwärmung und Unterkühlung der Batterie vermieden werden. Dadurch wird eine erhöhte Lebensdauer der Batterie erzielt und ihre Kapazität optimal genutzt.A type of heatpipe is selected to remove heat from the battery from a given initial temperature of the battery cells, and at least one heatpipe type is selected to recover heat at a predetermined minimum temperature of the battery from the heat storage to the battery via the heat spreader supplies. By the two types of heatpipe, a battery temperature range can be adjusted and overheating and overcooling of the battery can be avoided. As a result, an increased life of the battery is achieved and their capacity is used optimally.
Als Latentwärmespeicher können Feststoffspeicher, wie Zeolithe, eingesetzt werden, deren Wärmefreisetzung leicht steuerbar ist Es können aber auch fluide Latentwärmespeicherflüssigkeiten eingesetzt werden, welche in einem von der Batterie unabhängigen Kreislauf geführt werden – bspw. einem Heizkreislauf. Die Verwendung des Latentwärmespeichers hängt von dessen Kapazität und – bei mobilem Einsatz der Batterie – auch von dessen Gewicht. Beispielhaft, aber nicht begrenzend, sollen Stoffe genannt werden, die für Latentwärmespeicher genutzt werden, so: Salz-Wasser-Eutektika = 0°C – Paraffine –30°C-130°C – Salzhydrate 5°C–130°C – Zuckeralkohole 90°C–180°C – Salze und deren eutektische Mischungen = 180°C und Mobile Latentwärmespeicher (makroverkapselt) mit einem Phase-Change-Material.Schmelzpunkt von 58°C, Einleittemperatur von 56°C–180°C-Latentwärmespeicher sind bekannt und werden bereits für verschiedenste technische Anwendungen, wie Hausheizungen oder auch Kraftfahrzeuge, eingesetzt. Hinsichtlich der Latentwärmespeicher wird vollinhaltlich auf das im Internet veröffentlichte Buch:
Bekannt sind bpsw. Die Aufschlämmungen von microverkapselten Phasen-Anderungsmaterialien (PCM) als flüssiges Latentspeichermedien (s.
Hinsichtlich der Anwendung in mobilen Systemen werden diese in Kraftfahrzeugen bereits seit 1993 (Car Tech) mit Salzen, die sich bereits bei 78°C verflüssigen, verwendet.. Weitere Anwendungen in Fahrzeugen sind die von Modine Längerer & Reich seit 1997 verwendeten Latentwärmespeicher, der Salze einsetzt, die bei 70°C schmelzen – durch vom Motor erhitztes Wasser, das den LWS – wie in einem Autokühler – in Röhren durchströmt. Beim Start des erkalteten Motors läuft das Kühlwasser durch den LWS, das Salz kristallisiert, und die freiwerdende Wärme wird umgehend für die Heizung genutzt. Eine weitere Firma, die VW-Tochter Votex, bietet seit 1997 derartige Wärmespeicher auch als Nachrüstmöglichkeit für den Golf und den Passat an. Diese Latentwärmespeicher lassen sich problemlos an Fahrzeugbatterien anschliessen.With regard to the application in mobile systems, these have been used in motor vehicles since 1993 (Car Tech) with salts that liquefy already at 78 ° C. Other applications in vehicles are the Latentwärmespeicher used by Modine Längerer & Reich since 1997, the salts which melts at 70 ° C - by water heated by the engine, which flows through the LWS - as in a car radiator - in tubes. At the start of the cooled engine, the cooling water runs through the LWS, the salt crystallizes, and the released heat is immediately used for the heating. Another company, the VW subsidiary Votex, offers since 1997 such heat storage as a retrofit option for the Golf and the Passat. These latent heat accumulators can be easily connected to vehicle batteries.
Da Wärmeleitrohre die Eigenschaft haben, bidirektional Wärme transportieren zu können, kann Wärme auch aus dem Latentwärmespeicher zurückübertragen werden – bspw. um eine geeignete Arbeitstemperatur für die Batterie aufrechtzuerhalten.Since heat pipes have the property to be able to transport heat bidirectionally, heat can also be transferred back from the latent heat storage - for example, to maintain a suitable working temperature for the battery.
Es ist auch möglich, Loop-Wärmeleitrohre zu verwenden, die teilweise ausserhalb der Batterie verlaufen und eine sehr grosse Wärmetransferkapazität aufweisen.It is also possible to use loop heat pipes, some of which run outside the battery and have a very large heat transfer capacity.
In einem Fall, in dem ein Wärmerohr wird als wärmeleitendes Element eingesetzt wird, kann das Arbeitsfluid bspw. Wasser, Ammoniak, Kohlendioxid, Ammoniak und Propan, Alkohol oder Methanol oder i-Propanol bzw. Mischungen derselben sein, diese Aufzählung ist lediglich beispielhaft und die Erfindung ist keineswegs darauf beschränkt. Unter Berücksichtigung der Leistung und Wirkung auf die globale Umwelt, sind Wasser, und Alkohole sowie ggf. Mischungen derselben als Arbeitsfluid der Wärmerohre für mobile Anwendungen bevorzugt.In a case where a heat pipe is used as a heat-conducting member, the working fluid may be, for example, water, ammonia, carbon dioxide, ammonia and propane, alcohol or methanol or i-propanol or mixtures thereof, this list is merely exemplary and the Invention is by no means limited thereto. Taking into account the performance and effect on the global environment, water, and alcohols and possibly mixtures thereof are preferred as working fluid of the heat pipes for mobile applications.
Die Wärmeleitrohre können im Bedarfsfall Wärme aus dem Latentwärmespeicher abrufen und auch Wärme dorthin abgeben. Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann der Latentwärmespeicher ein fluider Latentwärmespeicher, wie ein mikroverkapseltes Phasenänderungsmaterial (PCM = Phase Change Material) sein, das an verschiedensten Stellen eines Fahrzeugs einsetzbar ist und dort hin gefördert werden kann – bspw. zur Heizung oder zum Erwärmen eines Verbrennungsmotors, um Emissionen und Verbrauch beim Kaltstart zu verringern, zur Unterstützung der Heizung etc.If required, the heat pipes can retrieve heat from the latent heat storage and also release heat there. In a preferred embodiment, the latent heat storage may be a fluid latent heat storage, such as a micro-encapsulated phase change material (PCM) that can be used at various points of a vehicle and there promoted out - for example, for heating or for heating an internal combustion engine Reduce emissions and consumption during cold start, to support heating etc.
Somit kann ein problemloser Anschluss an ein bestehendes Kühlmittelsytem bzw. Temperierfluidsystem erfolgen und die Wärme des PCM dort verwendet werden, wo sie gerade benötigt wird.Thus, a smooth connection to an existing Kühlmittelytem or Temperierfluidsystem done and the heat of the PCM be used where it is needed.
Bevorzugt erfolgt die geometrische Anordnung der Wärmeleitrohre so, dass die Schwerkraft ihre Funktion unterstützt.Preferably, the geometric arrangement of the heat pipes takes place so that gravity supports their function.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung, in der schematisch Ausführungsbeispiele dargestellt sind erläutert. Die Erfindung ist keineswegs auf diese eingeschränkt und die Beispiele sind rein exemplarisch zum besseren Verständnis angegeben. Darin zeigt:The invention will be explained with reference to the accompanying drawing, in which schematically embodiments are illustrated. The invention is by no means limited to these and the examples are given purely by way of example for better understanding. It shows:
Nachstehend wird die Erfindung detailliert unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben.The invention will be described in more detail below with reference to the drawing.
Auf dem Wärmeleitrohraussenabschnitt (
Deutlich ist in
Batterien enthalten üblicherweise mehrere Batteriezellen (
In
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1, 1A, 1B, 1C, 1D, 1E1, 1A, 1B, 1C, 1D, 1E
- Batteriezellebattery cell
- 2, 2A, 2B2, 2A, 2B
- Vapor ChamberVapor Chamber
- 33
- WärmeleitrohrinnenabschnittWärmeleitrohrinnenabschnitt
- 44
- Vapor Chamber-KontaktabschnittVapor Chamber contact section
- 55
- WärmeleitrohraussenabschnittWärmeleitrohraussenabschnitt
- 77
- elektrisch isolierender Abschnitt der Vapor Chamberelectrically insulating section of the vapor chamber
- 88th
- Batterie oder AkkumulatorBattery or accumulator
- 1010
- Wärmeleitrohrheat pipe
- 2020
- Wärmetauscherheat exchangers
- Wärmetransfermediumsfluss Heat transfer medium flow
- Arbeitsfluid in Vapor Chamber Working fluid in Vapor Chamber
- Wärmefluss heat flow
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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CN107681223B (en) * | 2017-09-08 | 2023-12-01 | 青岛大学 | Lithium battery preheating and heat dissipation system utilizing two-phase flow power type separated heat pipe |
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