DE3934084A1 - Liquid cooling system for high temperature battery - has heat exchanger loop with pre cooling reservoir stage - Google Patents

Liquid cooling system for high temperature battery - has heat exchanger loop with pre cooling reservoir stage

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DE3934084A1 DE19893934084 DE3934084A DE3934084A1 DE 3934084 A1 DE3934084 A1 DE 3934084A1 DE 19893934084 DE19893934084 DE 19893934084 DE 3934084 A DE3934084 A DE 3934084A DE 3934084 A1 DE3934084 A1 DE 3934084A1
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Abstract

A high temperature battery, e.g. natrium-sulphuric acid (1), has a matrix of electrochemical cells (3) that generate thermal energy and is cooled by passing a liquid through a heat exchanger (2). The coils of the exchanger are connected into a closed circuit that has an external heat exchanger (4) and circulation pump (5). Located in the fluid line leading to the pump is a reservoir (6) with a gas pressurised diaphragm and this unit provides an additional cooling. A variation has the heated fluid circulated through a coil within the reservoir. ADVANTAGE - Economical system for cooling battery.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Flüssigkeitskühlein­ richtung für eine Hochtemperaturspeicherbatterie nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a liquid cooler direction for a high temperature storage battery the preamble of claim 1.

Hochtemperaturspeicherbatterien enthalten elektrochemi­ sche Zellen zur Speicherung elektrischer Energie. Eine solche Batterie ist beispielsweise die Natrium/Schwe­ fel-Batterie, die im Temperaturbereich von etwa 300°C bis 350°C arbeitet.High temperature storage batteries contain electrochemicals cells for storing electrical energy. A such a battery is, for example, the sodium / weld fel battery operating in the temperature range of about 300 ° C works up to 350 ° C.

Hochtemperaturspeicherbatterien sind mit einer hochwirk­ samen thermischen Isolierung versehen, um Wärmeverluste während Ruhepausen gering zu halten. Bei Belastung der Batterie kann aber soviel Wärme erzeugt werden, daß eine Kühlung der Batteriezellen erforderlich ist, um eine gewünschte Betriebstemperatur zu erreichen. High temperature storage batteries are highly effective provided with thermal insulation to prevent heat loss to keep low during breaks. When loading the But battery can generate so much heat that a Cooling of the battery cells is required in order to to achieve the desired operating temperature.  

Als Kühlsystem sind sowohl direkte als auch indirekte Kühlsysteme geeignet. Bei direkten Kühlsystemen wird mittels eines Gebläses und einer Verteileinrichtung Kühlluft in die Zwischenräume zwischen Batteriezellen eingebracht, welche direkt von der Zellenoberfläche Ver­ lustwärme aufnimmt und abführt. Indirekte Kühlsysteme arbeiten mit einem internen Wärmetauscher, welcher in­ nerhalb der Batterie angeordnet ist und Teil eines ge­ schlossenen Kühlkreislaufs ist. Als Wärmeträger kann in dem Kühlkreislauf eine Flüssigkeit verwendet werden.The cooling system is both direct and indirect Cooling systems suitable. With direct cooling systems by means of a blower and a distribution device Cooling air in the spaces between battery cells introduced directly from the cell surface Ver absorbs and dissipates lust heat. Indirect cooling systems work with an internal heat exchanger, which in is located within the battery and part of a ge closed cooling circuit. As a heat transfer medium a liquid can be used in the cooling circuit.

Die Erfindung geht von einem solchen Flüssigkeitskühlsy­ stem aus, welches, wie dargelegt, nur bei entsprechender Batteriebelastung eingeschaltet wird. Bei einem solchen Kühlsystem nimmt bei ruhendem Flüssigkeitskreislauf die im Wärmetauscher innerhalb der Batterie befindliche Flüssigkeit etwa die Batterietemperatur an. Nach dem Einschalten einer Umwälzpumpe im Flüssigkeitskreislauf strömt zunächst Kühlflüssigkeit mit der Batterietempera­ tur von z. B. 300°C zu außerhalb der Batterie befindli­ chen Teilen des Kühlsystems. Im eingefahrenen Zustand des Kühlsystems kann die Kühlflüssigkeitstemperatur we­ sentlich niedriger, beispielsweise unter 100°C, liegen. Diese Temperatur ist abhängig von der Auslegung des Kühlsystems und bedingt durch den Wärmewiderstand zwischen den Batteriezellen und dem batterieinternen Wärmetauscher.The invention is based on such a liquid cooling system stem, which, as stated, only with the appropriate Battery load is switched on. With such a Cooling system takes the when the liquid circuit is at rest located in the heat exchanger inside the battery Liquid about the battery temperature. After this Switching on a circulation pump in the liquid circuit coolant initially flows with the battery temperature door of z. B. 300 ° C to outside the battery parts of the cooling system. When retracted the cooling system, the coolant temperature we are considerably lower, for example below 100 ° C. This temperature depends on the design of the Cooling system and due to the thermal resistance between the battery cells and the battery internal Heat exchanger.

Da die Temperatur der Kühlflüssigkeit zeitweise die Bat­ terietemperatur annehmen kann, müssen alle mit der Kühl­ flüssigkeit in Berührung kommende Teile des Kühlkreis­ laufs, das sind bei einer üblichen Anordnung auch ein externer Wärmetauscher und eine Umwälzpumpe, welche emp­ findlich und teuer sind, für diese Temperatur ausgelegt werden. Since the temperature of the coolant temporarily affects the bat temperature, all must be with the cooling Parts of the cooling circuit that come into contact with liquid run, that is also a common arrangement external heat exchanger and a circulation pump, which emp are sensitive and expensive, designed for this temperature will.  

Der Erfindung liegt davon ausgehend die Aufgabe zugrun­ de, eine verbesserte Flüssigkeitskühleinrichtung anzuge­ ben, welche eine kostengünstigere Ausführung ermöglicht.On this basis, the invention is based on the object de to provide an improved liquid cooling device ben, which enables a cheaper execution.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Flüssigkeitskühl­ einrichtung für eine Hochtemperaturspeicherbatterie mit einem Flüssigkeitskreislauf, der einen batterieinternen Wärmetauscher und einen außerhalb der Batterie befindli­ chen Teilkreislauf mit einem Ausgleichsgefäß und einer Rückkühleinrichtung aufweist, und mit Mitteln, welche eine Vorkühlung einer im batterieinternen Wärmetauscher erwärmten Kühlflüssigkeit unter Nutzung der Wärmekapazi­ tät der im äußeren Teilkreislauf, insbesondere im Aus­ gleichsgefäß befindlichen Kühlflüssigkeit bewirken, bevor die Kühlflüssigkeit in die Rückkühleinrichtung eintritt.This task is solved by liquid cooling device for a high temperature storage battery with a fluid circuit that contains an internal battery Heat exchanger and one outside the battery Chen subcircuit with an expansion tank and a Has recooling device, and with means which a pre-cooling of one in the battery internal heat exchanger heated coolant using the heat capacity act in the outer subcircuit, especially in the off effect the same coolant liquid before the coolant enters the recooling device.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in Unteransprüchen angegeben.Advantageous embodiments are in the subclaims specified.

Die erfindungsgemäße Einrichtung hat den Vorteil, daß alle Teile der Rückkühleinrichtung für eine im Vergleich zur Batterietemperatur wesentlich niedrigere Temperatur ausgelegt werden können. Dadurch kann ein Werkstoff mit einem niedrigeren Preis verwendet werden und eine höhere Standzeit der Rückkühleinrichtung erreicht werden.The device according to the invention has the advantage that all parts of the recooling device for a comparison to the battery temperature much lower temperature can be interpreted. This allows a material with a lower price can be used and a higher one Service life of the recooling device can be achieved.

Nach einer ersten vorteilhaften Ausgestaltungsvariante enthält das Ausgleichsgefäß einen z. B. spiralförmigen Vorkühler-Wärmetauscher zur Vorkühlung der Kühlflüssig­ keit durch Wärmeabgabe an die im Ausgleichsgefäß befind­ liche Ausgleichsflüssigkeit.According to a first advantageous embodiment variant contains the expansion tank a z. B. spiral Pre-cooler heat exchanger for pre-cooling the cooling liquid speed by releasing heat to those located in the expansion tank compensating liquid.

Eine zweite Ausgestaltungsvariante ermöglicht eine di­ rekte Mischung der aus der Batterie kommenden heißen Flüssigkeit mit der Ausgleichsflüssigkeit. Dies wird durch Einleitung der heißen Flüssigkeit mittels eines perforierten und beispielsweise spiralförmig im Aus­ gleichsgefäß verlegten Rohres ermöglicht.A second design variant enables a di right mixture of hot ones coming from the battery Liquid with the balance liquid. this will  by introducing the hot liquid by means of a perforated and, for example, spiral out tube laid in the same vessel.

Eine ausführlichere Beschreibung der Erfindung erfolgt nachstehend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen.A more detailed description of the invention follows below with reference to those shown in the drawing Embodiments.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 prinzipielle Anordnung eines Flüssigkeits­ kreislaufs mit Ausgleichsgefäß, Fig. 1 basic arrangement of a liquid circuit with compensation vessel,

Fig. 2 erste Ausführungsvariante einer erfindungsge­ mäßen Ausführung des Ausgleichsgefäßes mit Vorkühler-Wärmetauscher, Fig. 2 first embodiment of a erfindungsge MAESSEN embodiment of the compensating vessel with pre-cooler heat exchanger,

Fig. 3 zweite Variante einer erfindungsgemäßen Aus­ führung des Ausgleichsgefäßes mit einer Mi­ scheinrichtung für heiße Kühlflüssigkeit mit Ausgleichsflüssigkeit. Fig. 3 second variant of an inventive implementation of the expansion tank with a Mi mixing device for hot coolant with compensating liquid.

In Fig. 1 ist eine Flüssigkeitskühleinrichtung darge­ stellt, welche aus einem batterieinternen Wärmetauscher 2 mit einem außerhalb einer zu kühlenden Batterie 1 be­ findlichen Teilkreislauf 11 besteht. Der äußere Teil­ kreislauf 11 enthält ein an eine Rohrleitung 12 ange­ schlossenes Ausgleichsgefäß 6 und eine Rückkühleinrich­ tung 10. Die Rückkühleinrichtung 10 enthält einen exter­ nen Wärmetauscher 4 und eine Umwälzpumpe 5. Das Aus­ gleichsgefäß 6 hat die Aufgabe, eine temperaturände­ rungsbedingte Volumenänderung der in der Flüssigkeits­ kühleinrichtung befindlichen Kühlflüssigkeit zu ermögli­ chen. Das Ausgleichsgefäß 6 weist dazu eine Membran 8 auf, die ein Ausgleichsgasvolumen 7 von einer Aus­ gleichsflüssigkeit 9, einer Teilmenge der Kühlflüssig­ keit, trennt. Es sind jedoch auch Anordnungen denkbar, die keine Membran 8 erfordern, z. B. wenn das Gas im Aus­ gleichvolumen 7 sich gegenüber der Kühlflüssigkeit inert verhält, eine zu vernachlässigende Löslichkeit in der Kühlflüssigkeit besitzt und durch entsprechende Anord­ nung des Ausgleichsgefäßes 6 sichergestellt ist, daß die Gasblase, durch den Auftrieb bedingt, hinreichend weit vom Anschluß an die Rohrleitung 12 entfernt ist. Inner­ halb der Batterie 1 sind in einer Zellmatrix 3 elektro­ chemische Zellen angeordnet, welche Verlustwärme erzeu­ gen. Die Verlustwärme wird vom batterieinternen Wärme­ tauscher 2 auf die Kühlflüssigkeit übertragen. Wenn die Umwälzpumpe 5 eingeschaltet ist, wird die erwärmte Kühl­ flüssigkeit zum externen Wärmetauscher 4 und von dort wieder im Kreislauf zurücktransportiert.In Fig. 1, a liquid cooling device is Darge, which consists of a battery-internal heat exchanger 2 with a be outside of a battery 1 to be cooled sub-circuit 11 . The outer part circuit 11 contains a pipeline 12 is connected to the expansion tank 6 and a Rückkühleinrich device 10th The recooling device 10 contains an external heat exchanger 4 and a circulation pump 5 . From the expansion tank 6 has the task of making a temperature change-related change in volume of the cooling liquid located in the liquid cooling device. The expansion tank 6 has a membrane 8 , which separates a compensating gas volume 7 from an equalizing liquid 9 , a subset of the cooling liquid. However, arrangements are also conceivable which do not require a membrane 8 , e.g. B. if the gas in the equal volume 7 behaves inert towards the cooling liquid, has a negligible solubility in the cooling liquid and is ensured by appropriate arrangement of the expansion tank 6 that the gas bubble, due to the buoyancy, sufficiently far from the connection to the Pipeline 12 is removed. Inside the battery 1 , 3 electrochemical cells are arranged in a cell matrix, which generate heat losses. The heat loss is transferred from the battery heat exchanger 2 to the coolant. When the circulation pump 5 is switched on, the heated cooling liquid is transported to the external heat exchanger 4 and from there back into the circuit.

Während bei bekannten Anordnungen die im Kreislauf ge­ führte Kühlflüssigkeit zwar mit der Ausgleichsflüssig­ keit 9 in Verbindung steht, aber an diese praktisch kei­ ne Wärme abgibt, wird mit der Erfindung vorgeschlagen, die Wärmekapazität der Ausgleichsflüssigkeit 9 für eine Vorkühlung der Kühlflüssigkeit zu nutzen, ehe diese in die Rückkühleinrichtung 10 eintritt.While in known arrangements the cooling fluid led in the circuit is connected to the compensating liquid speed 9 , but practically does not emit heat to it, the invention proposes to use the heat capacity of the compensating liquid 9 for pre-cooling of the cooling liquid before it enters the recooling device 10 .

Gemäß einer in Fig. 2 dargestellten Variante kann dies mit Hilfe eines im Ausgleichsgefäß 6 angeordneten Vor­ kühler-Wärmetauscher 13 erfolgen, welcher beispielsweise spiralförmig ausgeführt sein kann und eine ausreichend große Wärmetauscherfläche aufweist.According to a variant shown in Fig. 2, this can be done with the help of a arranged in the expansion tank 6 before cooler heat exchanger 13 , which can for example be designed spirally and has a sufficiently large heat exchanger surface.

Eine schnell wirkende Vorkühlung kann auch durch eine zweite Variante erreicht werden, welche in Fig. 3 darge­ stellt ist. Gemäß dieser Ausführungsvariante wird die von der Batterie 1 kommende Kühlflüssigkeit in das Aus­ gleichsgefäß 6 eingeleitet und mittels einer Mischein­ richtung 14 gut mit der Ausgleichsflüssigkeit 9 ver­ mischt, bevor sie der Rückkühleinrichtung 10 zugeleitet wird. Die Mischeinrichtung 14 kann beispielsweise aus einem spiralförmig im Ausgleichsgefäß 6 verlegten und am Ende verschlossenen Rohr bestehen, dessen Rohrwand mit Öffnungen 16 versehen ist.A fast-acting pre-cooling can also be achieved by a second variant, which is shown in Fig. 3 Darge. According to this embodiment variant, the cooling liquid coming from the battery 1 is introduced into the equalizing vessel 6 and mixed well with the compensating liquid 9 by means of a mixing device 14 before it is fed to the recooling device 10 . The mixing device 14 can consist, for example, of a pipe which is laid in a spiral in the expansion tank 6 and is closed at the end, the pipe wall of which is provided with openings 16 .

Eine weitere Verbesserung der Vorkühlwirkung kann da­ durch erreicht werden, daß die Förderleistung der Um­ wälzpumpe 5 mit Hilfe einer Steuereinrichtung 15 nach dem Einschalten in einer optimierten Weise, z. B. nach einer Rampencharakteristik gesteigert wird. Dadurch steht ausreichend Zeit für die Wärmeabgabe an die im Ausgleichsgefäß 6 und der Rohrleitung 12 vorhandene Kühlflüssigkeit sowie für eine Wärmeabgabe über die Rohrleitung 12 an die Umgebung zur Verfügung.A further improvement in the pre-cooling effect can be achieved by the fact that the delivery rate of the circulation pump 5 with the help of a control device 15 after switching on in an optimized manner, for. B. is increased according to a ramp characteristic. This provides sufficient time for the heat to be released to the cooling liquid present in the expansion tank 6 and the pipeline 12 and for the heat to be dissipated to the environment via the pipeline 12 .

Claims (4)

1. Flüssigkeitskühleinrichtung für eine Hochtempe­ raturspeicherbatterie mit einem Flüssigkeitskreislauf, der einen batterieinternen Wärmetauscher und einen au­ ßerhalb der Batterie befindlichen Teilkreislauf mit ei­ nem Ausgleichsgefäß und einer Rückkühleinrichtung auf­ weist, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (13, 14, 15) vorhanden sind, welche eine Vorkühlung einer im batte­ rieinternen Wärmetauscher (2) erwärmten Kühlflüssigkeit unter Nutzung der Wärmekapazität der im äußeren Teil­ kreislauf (11), insbesondere im Ausgleichsgefäß (6), befindlichen Kühlflüssigkeit bewirken, bevor die Kühl­ flüssigkeit in die Rückkühleinrichtung (10) eintritt.1. Liquid cooling device for a high-temperature storage battery with a liquid circuit, which has a battery-internal heat exchanger and an external circuit located outside the battery with egg n a compensation vessel and a recooling device, characterized in that means ( 13 , 14 , 15 ) are present, which a Pre-cooling in the battery internal heat exchanger ( 2 ) heated cooling liquid using the heat capacity of the circuit in the outer part ( 11 ), in particular in the expansion tank ( 6 ), cause the cooling liquid before the cooling liquid enters the recooling device ( 10 ). 2. Flüssigkeitskühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Mittel zur Vorkühlung des Kühlmittels ein im Ausgleichsbehälter (6) angeordneter Vorkühler-Wärmetauscher (13) vorhanden ist, durch wel­ chen das Kühlmittel strömt, bevor es der Rückkühlein­ richtung (10) zugeleitet wird.2. Liquid cooling device according to claim 1, characterized in that as a means for pre-cooling the coolant in the expansion tank ( 6 ) arranged precooler heat exchanger ( 13 ) is provided, through which the coolant flows before it is fed to the Rückkühlein direction ( 10 ) . 3. Flüssigkeitskühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Mittel zur Vorkühlung der Kühlflüssigkeit eine Mischeinrichtung (14), insbe­ sondere ein mit mehreren Öffnungen (16) versehenes Rohr innerhalb des Ausgleichsbehälters (6) angeordnet ist, durch welche die von der Batterie (1) kommende Kühlflüs­ sigkeit in den Ausgleichsbehälter (6) strömt, sich dort mit der vorhandenen Ausgleichsflüssigkeit (9) mischt und anschließend als Mischung zur Rückkühleinrichtung (10) geleitet wird. 3. Liquid cooling device according to claim 1, characterized in that as a means for pre-cooling the cooling liquid, a mixing device ( 14 ), in particular a pipe with several openings ( 16 ) is arranged inside the expansion tank ( 6 ) through which the battery ( 1 ) Coming cooling liquid flows into the expansion tank ( 6 ), mixes there with the existing expansion liquid ( 9 ) and is then passed as a mixture to the recooling device ( 10 ). 4. Flüssigkeitskühleinrichtung nach einem der vor­ stehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuereinrichtung (15) vorhanden ist, welche die Förder­ leistung einer in der Rückkühleinrichtung (10) angeord­ neten Umwälzpumpe (5) nach dem Einschalten gemäß einer optimierten Übergangsfunktion steigert.4. Liquid cooling device according to one of the preceding claims, characterized in that a control device ( 15 ) is present, which increases the delivery performance of a in the recooling device ( 10 ) angeord Neten circulation pump ( 5 ) after switching on according to an optimized transition function.
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