DE3942470A1

DE3942470A1 - Hochtemperatur-speicherbatterie

Info

Publication number: DE3942470A1
Application number: DE19893942470
Authority: DE
Inventors: Gismar Dr Eck
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Germany; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: ABB AG Germany; ABB AB
Priority date: 1988-12-24
Filing date: 1989-12-22
Publication date: 1990-06-28

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Hochtemperatur-Spei cherbatterie gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Solche Hochtemperatur-Speicherbatterien, die aus elek trochemischen Speicherzellen auf der Basis von Alkalime tall und Chalkogen aufgebaut sind, werden in vermehrtem Maße für die Elektroantriebe von Fahrzeugen eingesetzt. Die bis jetzt bekannten Hochtemperatur-Speicherbatterien mit elektrochemischen Speicherzellen der o.g. Bauart arbeiten bei einer Temperatur von 350°C. Um Wärmever luste, insbesondere in den Ruhephasen der Hochtempera tur-Speicherbatterien zu vermeiden, sind diese von einer thermischen Isolierung umgeben. Bei den chemischen Reak tionen, die in den Speicherzellen während des Betriebs ablaufen, wird soviel Wärme erzeugt, daß eine Kühlung der Speicherzellen erforderlich ist, damit die angegebe ne Arbeitstemperatur von 350°C aufrecht erhalten werden kann und nicht überschritten wird. Falls es zu einem Temperaturanstieg innerhalb einer Hochtemperatur-Spei cherbatterie auf Werte kommt, die wesentlich über der Arbeitstemperatur der Speicherzellen liegen, so ist eine Beschädigung der Speicherzellen nicht auszuschließen.

Aus der GB-PS 13 86 525 ist eine Hochtemperatur-Spei cherbatterie mit einer Kühlung bekannt. Die Batterie ist aus einer Vielzahl von Speicherzellen aufgebaut, die sich in einem Aluminiumbehälter befinden. Dieser Behäl ter ist doppelwandig ausgebildet. Zwischen der inneren und äußeren Begrenzungswand des Behälters ist ein Iso liermaterial angeordnet. In dem Behälter ist ein Ver teilerraum vorgesehen, über welchen den Speicherzellen das Kühlmedium zuführbar ist. Über einen Sammelraum kann das Kühlmedium nach dem Umströmen der Speicherzellen wieder nach außen abgeleitet werden.

Von Nachteil ist hierbei, daß sich das Kühlmedium be reits innerhalb des Verteilerraums erwärmen kann, so daß den Speicherzellen teilweise schon ein erwärmtes Kühl mittel zugeführt wird, und damit nur eine unzureichende Kühlung der Speicherzellen gewährleistet ist.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Hochtemperatur-Speicherbatterie aufzuzeigen, bei der das Kühlmedium in den Speicherzellen so zugeführt wird, daß alle Speicherzellen von einem Kühlmedium umströmt wer den, das sich auf dem gleichen Temperaturniveau befin det.

Diese Augabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Erfindungsgemäß ist die thermische Isolierung, welche die Hochtemperatur-Speicherbatterie nach innen und außen begrenzt, in einen Innenraum aufgeteilt, der die Spei cherzellen aufnimmt. Unterhalb dieses Innenraums ist der Verteilerraum für das Kühlmedium vorgesehen. Oberhalb des Innenraums ist der Sammelraum angeordnet, über den das Kühlmedium wieder nach außen abgeleitet werden kann. Der Verteilerraum ist in zwei oder mehrere Kanäle und eine Vorkammer unterteilt. Die einmal eingestellte Verteilung des Kühlmediums muß stabil bleiben. Sie darf im wesentlichen weder von der Temperatur, noch vom Durchsatz des Kühlmediums abhängig sein, da sonst eine kontrollierte Kühlung der Hochtemperaturspeicherbatterie nicht möglich ist. Erfindungsgemäß ist die Hochtempera tur-Speicherbatterie deshalb so ausgebildet, daß die zwischen der Vorkammer und den Kanälen bzw. den Kanälen und dem Innenraum der Speicherbatterie vorgesehenen Öff nungen als hydraulische Widerstände, sogenannte Drosseln, ausgebildet sind. Jeder dieser Widerstände ist so ge staltet, daß er wesentlich größer ist, als alle hydrau lischen Widerstände in den oben genannten Räumen und Kanälen zusammen. Jeder dieser Widerstände ist zudem so ausgebildet, daß er innerhalb der systemtypischen Schwankungsbreite des Volumenstroms des Kühlmediums ei nen praktisch konstanten Druckverlustbeiwert hat, wel cher innerhalb der möglichen Temperaturunterschiede des Kühlmediums vor den Widerständen konstant ist. Erfin dungsgemäß sind die Drosseln in Form von Lochblenden, Rohren oder Düsen ausgebildet, deren Querschnitt mittels einer mathematischen Formel bestimmt wird. Die für den Transport des Kühlmediums vorgesehenen Kanäle verlaufen parallel zur Längsachse der Speicherbatterie. Das von außen eingeleitete Kühlmedium wird zunächst der Vorkam mer zugeleitet und strömt von dort aus in die Kanäle. Von hier aus gelangt es über Öffnungen in den Innenraum der thermischen Isolierung, wo es an den Speicherzellen vorbeiströmt. Die Öffnungen sind so angeordnet, daß das Kühlmedium zwischen den einzelnen Speicherzellen hin durchströmen kann. Das erwärmte Kühlmedium wird eben falls über Öffnungen aus dem Innenraum der thermischen Isolierung in den Sammelraum abgeleitet und von dort aus der Batterie herausgeführt. Die Kanäle des Verteiler raums sind durch Trennwände voneinander abgegrenzt, derart, daß die Kanäle nur zu der Vorkammer hin offen sind. Erfindungsgemäß besteht die Möglichkeit ein- oder beidseitig jeder Trennwand einen Hilfskanal auszubilden.

Erfindungsgemäß sind diese Hilfskanäle zu der Vorkammer hin verschlossen, während sie an ihren, der Vorkammer abgewandten Enden offen sind. Hierdurch wird eine noch bessere Vermischung des Kühlmediums sichergestellt, so daß allen Speicherzellen ein Kühlmedium mit der gleichen Temperatur zugeführt werden kann.

Weitere erfindungswesentliche Merkmale sind in den Un teransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 Einen Vertikalschnitt durch eine Hochtempera tur-Speicherbatterie,

Fig. 2 den Verteilerraum der Hochtemperatur-Speicher batterie,

Fig. 3 den Verteilerraum der Hochtemperatur-Speicher batterie im Vertikalschnitt,

Fig. 4 eine Variante des Verteilerraums.

Fig. 1 zeigt eine Hochtemperatur-Speicherbatterie 1, die nach innen und außen durch eine thermische Isolie rung 2 begrenzt wird. Diese ist doppelwandig ausgebil det, wobei zwischen den beiden Gehäusewandungen das Iso liermaterial 3 angeordnet ist. Der Innenbereich der thermischen Isolierung ist in einen Innenraum 4, einen Verteilerraum 5 und einen Sammelraum 6 aufgeteilt. Im Innenraum 4 sind die miteinander verschalteten Speicher zellen 20 angeordnet, die hier nur schematisch darge stellt sind. Über den Verteilerraum 5 wird dem Innenraum 4 ein Kühlmedium bspw. Luft zugeführt. Zwischen dem In nenraum 4 und dem Verteilerraum 5 ist eine Trennwand 7 angeordnet, die Öffnungen aufweist, (hier nicht darge stellt) über welche das Kühlmedium in den Innenraum 4 strömen kann. Eine weitere Trennwand 8 ist zwischen dem Innenraum 4 und dem Sammelraum 6 angeordnet. Diese Trennwand 8 ist ebenfalls mit Öffnungen (hier nicht dar gestellt) versehen, über welche das Kühlmedium in den Sammelraum 6 strömen kann, aus dem es dann nach außen abgeleitet wird.

Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt aus dem Verteilerraum 5 mit der abgrenzenden Trennwand 7. Wie anhand von Fig. 2 zu sehen ist, weist die Trennwand 7 in definierten Ab ständen Öffnungen 7 A auf. Eine Vielzahl von Öffnungen 7 A liegen auf einer Geraden, die senkrecht zur Längsachse des Verteilerraums 5 positioniert ist. Der Abstand zwi schen solchen auf einer Geraden angeordneten Öffnungen ist so bemessen, daß zwischen jeweils zwei solchen Öff nungsreihen ein Modul 20 M angeordnet werden kann, der eine definierte Amzahl von Speicherzellen 20 umfaßt. Erfindungsgemäß besteht die Möglichkeit, die Anzahl der Lochreihen so zu vergrößern, daß zwischen jedem Modul von Speicherzellen eine weitere Reihe von Öffnungen an geordnet ist. Der Verteilerraum 5 selbst ist durch Trennwände 9 in mehrere Kanäle 10 unterteilt. Die Trenn wände 9 sind so angeordnet, daß sie parallel zur Längs achse der Hochtemperatur-Speicherbatterie 1 und damit auch in Strömungsrichtung des Kühlmediums verlaufen.

Fig. 3 zeigt den von oben gesehenen Verteilerraum 5. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Verteilerraum 5 mit Hilfe der Trennwände 9 in vier Kanä le 10 unterteilt. Diesen Kanälen 10 wird das Kühlmedium von einer Vorkammer 11 aus zugeführt. In diese Vorkammer 11 wird das Kühlmedium über eine Leitung 12 eingeleitet, die von außen durch die thermische Isolierung (hier nicht dargestellt) hindurchgeführt ist. Die Kanäle 10 sind zur Vorkammer 11 hin offen. Erfindungsgemäß besteht die Möglichkeit, die Öffnungen 7 A in der Trennwand 7 sowie die Eintrittsöffnungen 10 A der Kanäle 10 als hy draulische Widerstände sogenannte Drosseln in Form von Lochblenden, Rohren oder Düsen auszubilden, um eine gleichmäßige Verteilung des Kühlmediums, das jeder Spei cherzelle zugeführt wird, sicherzustellen. Erfindungsge mäß muß jede Lochblende eine definierte Querschnittsflä che aufweisen. Diese Fläche wird nach folgender Formel Σ a _i/Q kleiner C. Dabei ist a _i die Querschnittsfläche des i-ten hydraulischen Widerstandes, Q der Querschnitt der Kanäle 10 und Räume 5, 6 und 11. C hat den Wert 2, wenn es sich um die Lochblenden 7 A und 10 A handelt. Bei den Öffnungen, die zwischen dem Innenraum 4 und dem Sammlerkanal 6 angeordnet sind, weist C einen Wert von 4 auf.

Fig. 4 zeigt eine Variante des Verteilerraums 5. Dieser ist wiederum mit Hilfe von Trennwänden 9 in vier Kanäle 10 und eine Vorkammer 11 unterteilt. Erfindungsgemäß ist ein- oder beidseitig jeder Trennwand 9 ein Hilfskanal 12 angeordnet. Die Hilfskanäle 12 sind an ihren der Vor kammer 11 zugewandten Enden verschlossen. Sie sind mit tels Trennwänden 13 gegen die Kanäle 10 über die gesamte Höhe des Verteilerraums 5 abgegrenzt. Lediglich an ihren zweiten der Vorkammer 11 abgewandten Enden sind die Hilfskanäle 12 offen. Hierdurch ist es möglich, daß das Kühlmedium, vom zweiten Ende der Kanäle 10 aus in die von dort aus zugänglichen Hilfskanäle 12 strömen kann. Der Verteilerraum 5 ist ebenfalls über eine Trennwand 7 gegen den Innenraum 4 abgegrenzt. Die Trennwand 7 ist wiederum mit Öffnungen (hier nicht dargestellt) ver sehen, über welche das Kühlmedium den Speicherzellen (hier nicht dargestellt) zugeführt werden kann. Die An zahl der Öffnungen und deren Positionierung werden so gewählt, daß eine optimale Zuführung des Kühlmediums zu den Speicherzellen hin gewährleistet ist. Als Kühlmedium wird vorzugsweise Luft verwendet.

Claims

1. Hochtemperatur-Speicherbatterie mit einer ther mischen Isolierung, in deren Innenraum (4) die miteinan der verschalteten Speicherzellen (20) angeordnet sind, wobei den Speicherzellen (20) von einem Verteilerraum (5) aus ein Kühlmedium zuführbar ist, das über einen Sammlerraum (6) wieder nach außen ableitbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Verteilerraum (5) in zwei oder mehrere Kanäle (10) und eine Vorkammer (11) unterteilt ist.

2. Hochtemperatur-Speicherbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (10) parallel zur Längsachse der Hochtemperatur-Speicherbatterie (1) und zur Strömungsrichtung des Kühlmediums verlaufen.

3. Hochtemperatur-Speicherbatterie nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ka näle (10) über die gesamte Höhe des Verteilerraums (5) mittels Trennwänden (9) gegeneinander abgegrenzt und nur gegen die Vorkammer (11) hin offen sind.

4. Hochtemperatur-Speicherbatterie nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein- oder beidseitig jeder Trennwand (9) ein Hilfskanal (12) angeordnet ist, der zur Vorkammer (11) hin verschlossen und an seinem der Vorkammer (11) gegenüberliegenden Ende offen ist.

5. Hochtemperatur-Speicherbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vor kammer (11) für die direkte Aufnahme des von außen in die Hochtemperatur-Speicherbatterie (1) eingeleiteten Kühlmediums vorgesehen ist.

6. Hochtemperatur-Speicherbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Vorkammer (11) und den Kanälen (10) Drosseln in Form von Lochblenden oder Düsen angeordnet sind.

7. Hochtemperatur-Speicherbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Innenraum (4) und dem Verteilerraum (5) eine Trenn wand (7) angeordnet ist, die an definierten Stellen mit Öffnungen (7 A) für die Zufuhr des Kühlmediums zu den Speicherzellen (20) angeordnet ist.

8. Hochtemperatur-Speicherbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Vorkammer (11) und dem Verteilerraum (5) bzw. dem Verteilerraum (5) und dem Innenraum (4) sowie dem Innen raum (4) und dem Sammelraum (6) zur gezielten Einstel lung der Durchflußmenge des Kühlmediums durch die ein zelnen Kanäle (10) hydraulische Widerstände, sogenannte Drosseln (7 A, 10 A) eingebaut sind, wobei jeder Widerstand (7 A, 10 A) wesentlich größer ist als die Summe der hydrau lischen Widerstände insgesamt.

9. Hochtemperatur-Speicherbatterie nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Drosseln (7 A, 10 A) folgender Bedingung genügt: Σ a _i/Q kleiner C, wobei a _i der Durchmesser der i-ten Drossel, Q die Quer schnittsfläche der Kanäle (10) oder der Räume (5, 6) ist, und C bei den Drosseln (7 A, 10 A) einen Wert von 2 und bei den zwischen dem Innenraum (4) und dem Sammelraum (6) angeordneten Drosseln einen Wert von 4 aufweist.

10. Hochtemperatur-Speicherbatterie nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosseln als Lochblenden, Rohre oder Düsen ausgebildet sind.