DE4029901A1 - Hochenergiebatterie - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Hochenergiebatterie nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Hochenergiebatterien wie z. B. Na/NiCl₂- oder Na/S-Batte­ rien arbeiten bei Temperaturen zwischen 250 und 400°C.

Diese Batterien sind aus einzelnen rohrförmigen Zellen aufgebaut. Die einzelnen Zellen einer Batterie sollen auf gleicher Temperatur gehalten werden damit die Zell-Innen­ widerstände gleich sind. Unterschiedliche Innenwiderstände würden zu unterschiedlichen Belastungen der einzelnen Zel­ len führen und damit zu unterschiedlichen Lade- und Entla­ dezuständen der Zellen. Ungleichmäßigkeiten in den Ladezu­ ständen innerhalb der Batterie können zu einer Lebensdauerminderung der Batterie führen.

Während eines Entladungszyklus solcher Batterien werden vor allem die inneren Bezirke der Batterie stärker erwärmt als die äußeren, da über das Gehäuse ein Wärmeabfluß gege­ ben ist. Während des Ladens sind vor allem die Zellen, die neben der elektrischen Heizung angeordnet sind, auf höhe­ rer Temperatur als Zellen, die weiter davon entfernt sind.

Der Innenwiderstand der Zellen führt beim Entladen zu ei­ ner Wärmeentwicklung innerhalb der Batterie. Dies kann am Beispiel einer 27 KWh-Batterie mit einer Spannung von 150 V und einer Kapazität von 180 Ah erläutert werden:
Während einer 2-Stunden-Entladung, d. h. einer Entladung mit einem Strom von 90 A muß eine Verlustleistung von ca. 2 kW ständig abgeführt werden. Ein Teil der Verlustleistung kann durch die Wärmekapazität der Batterie aufgefangen werden, der Rest muß mittels einer Kühlung aus der Batte­ rie transportiert werden.

In den Schriften DE-OS 32 47 969, 26 10 222 und 28 35 550 z. B. werden verschiedene Möglichkeiten zur Kühlung solcher Batterien beschrieben. Allen diesen Vorschlägen ist ge­ meinsam, daß das Kühlmittel entlang der Zellen vorbei­ streicht und so die Wärme an der gesamten Oberfläche der Zelle ausgetauscht wird. Diese Anordnungen tragen wenig dazu bei, einen Temperaturausgleich zwischen den einzelnen Zellen der Batterie zu schaffen. Der nur sehr langsam stattfindende Temperaturausgleich führt zu ungleichmäßigen Belastungen. Ein weiterer Nachteil dieser Kühlanordnungen ist ihre Kompliziertheit. So wird laut der Anmeldung ein spezielles Verteilersystem in die Batterie eingebaut, um eine gleichmäßige Luftführung entlang der Zellen zu errei­ chen. Die Luftverteilung innerhalb der einzelnen Kanäle zwischen den Zellen ist nicht exakt zu berechnen und muß experimentell optimiert werden. Ändern sich die Verhält­ nisse innerhalb der Batterie (zum Beispiel durch unter­ schiedliche Wärmeabfuhr über die Wände der Batterie), so muß die Luftverteilung erneut optimiert werden damit wie­ der eine gleichmäßige Temperaturverteilung gegeben ist. Ebenso muß die Geometrie z. B. einer Verteilerplatte bei jeder Konstruktionsänderung neu festgelegt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Batterie der ein­ gangs genannten Art anzugeben, bei der die Verlustwärme bei der Entladung der Batterie abgeführt wird, eine gleichmäßige Temperaturverteilung innerhalb der Batterie über alle Zellen hinweg beim Laden, Stillstand und Entla­ den gewährleistet ist und die einfach an geänderte Batte­ riegeometrien anpaßbar ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Pa­ tentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Überraschenderweise hat sich in Versuchen herausgestellt, daß eine Abführung der Verlustwärme nicht über die gesamte Oberfläche der rohrförmigen Zelle erfolgen muß, sondern es vielmehr völlig ausreicht, wenn das Kühlmedium bzw. das Medium für den Temperaturausgleich nur ein oder beiden En­ den der rohrförmigen Zelle umströmt. Die Aufgabe wird er­ findungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Medium zur Wärmeab­ führung bzw. zum Temperaturausgleich nur das obere und/oder untere Ende der rohrförmigen Einzelzellen um­ strömt.

Anhand der in den Fig. 1-6 schematisch dargestellten vereinfachten Ausführungsbeispiele wird die Erfindung nachfolgend näher erklärt. Die vereinfacht dargestellte Batterie zeigt lediglich 8 einzelne hochkant stehende Zel­ len 1, die in zwei nebeneinanderliegenden Viererreihen in­ nerhalb eines Gehäuses 2 angeordnet sind. Die eingezeich­ neten Pfeile geben die Strömungsrichtungen des die er­ wünschte Temperatur einregulierenden Mediums wieder. Das Gehäuse ist in bekannter Weise wärmeisolierend ausgebil­ det. Die Zellen 1 sind bevorzugt stabförmig ausgebildet.

In einer Hochenergiebatterie mit stabförmigen Zellen, die dicht gepackt sind, entsteht bei einer Speicherfähigkeit von 27 kWh und bei 2-stündiger Entladung eine Verlustlei­ stung von ca. 2 kW. Diese Verlustleistung wird über das ge­ samte Volumen der Einzelzellen erzeugt. Die Wärme, die aufgrund der Verlustleistung entsteht, muß abgeführt wer­ den, damit sich die Batterietemperatur nicht beliebig er­ höht. Dies kann einfach dadurch geschehen, daß die Zellen in einen rechteckigen Batteriekasten eingestellt sind und daß die Luft von einem Ende zum anderen in Längsrichtung über die Zellen geblasen wird (Abbildung 1). Bei dieser Anordnung kühlen die Zellen am Lufteinlaß stärker ab als am Auslaß. Für die Abführung der 2 kW ist ein Luftstrom <50 mˆ3/h erforderlich. Dabei wird angenommen, daß sich die Luft vom Einlaß zum Auslaß um ca. 150 Kelvin erwärmt.

Die Temperaturdifferenz zwischen Einlaß- und Auslaßseite kann dadurch verringert werden, daß die Luft nicht in Längsrichtung, sondern in Querrichtung die Batterie durch­ strömt (Abbildung 2).

Eine noch gleichmäßigere Temperaturverteilung kann man da­ durch erreichen, daß die Luft auf einer Seite im unteren Teil der Batterie einströmt und auf derselben Seite im oberen Teil wieder ausströmt oder umgekehrt. Die Luftfüh­ rung über das Zellenpaket erfolgt dann in der Form, daß die Luft unter den Zellen zum Ende der Batterie, dann an der Rückseite nach oben geführt wird und über das Zellen­ paket zur Einlaßseite geleitet wird (Abbildung 3) oder um­ gekehrt. Dabei werden die Zellen 2 an der Rückseite zweck­ mäßig an ihrer Mantelfläche gegen einen Wärmekontakt mit dem auf- bzw. abströmenden Medium isoliert, um sicherzu­ stellen, daß auch diese hinteren Zellen ebenfalls nur an ihren Enden von dem Medium wärmemäßig beeinflußt werden. An der Einlaßseite werden die Zellen an der Unterseite stärker gekühlt, da hier die Temperatur der Luft bzw. des Kühlmediums am niedrigsten ist. An der oberen Seite werden diese Zellen weniger gekühlt, da die Luft hier bereits auf einer höheren Temperatur ist. Durch diese Luftführung wird eine weitgehend gleichmäßige Wärmeabfuhr über alle Zellen erreicht.

Bei den in den Fig. 1 bis 3 angegebenen Luftführungsar­ ten hat man eine weitgehend gleichmäßige Strömung unter bzw. über den Zellen hinweg. Der Aufbau einer Batterie mit dieser Luftführung ist relativ einfach, da lediglich un­ terhalb des Zellpaketes und im rückwärtigen Teil der Bat­ terie und zwar bevorzugt über die gesamte Breite der Bat­ terie Raum für die Luftführung geschaffen werden muß. Oberhalb der Zellen ist aufbaubedingt ein Raum gegeben, so daß das Medium über die Zellen streichen kann. Das Prinzip dieser Kühlung ist auch beliebig an verschiedene Batterie­ geometrien anpaßbar, d. h. auch quadratische Batterien bzw. sehr lange Batterien können in dieser Weise einfach mit einem Kühlmedium beaufschlagt werden.

Eine vergleichbare Art zu Führung des Kühlmediums kann auch für den Temperaturausgleich innerhalb der Batterie angewandt werden. Wie bereits erwähnt, ist es wichtig, daß alle Zellen einer Batterie sich auf gleichem Temperaturni­ veau befinden. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß das Medium nicht ausgetauscht wird, wie es bei der Kühlung der Fall ist, sondern, daß das Medium im geschlos­ senen Kreislauf innerhalb der Batterie geführt wird. Am Beispiel eines rechteckigen Batteriegehäuses verfährt man z. B. folgendermaßen (Abbildung 4): Mit Hilfe eines Lüfters 3, der in das Batteriegehäuse 2 eingebaut ist, wird das Medium unter den Zellen hinweggeführt, an der Rückseite nach oben, über die Zellen hinweg und an der Vorderseite wieder zurück zum Lüfter geführt oder umge­ kehrt. Damit ergibt sich ein geschlossener Kreislauf des Mediums, der für den Temperaturausgleich innerhalb der Batterie sorgt.

Wie vorher beschrieben gilt diese Anordnung bei im Gehäuse vertikal angeordneten Zellen. Sind die Zellen horizontal angeordnet, dann erfolgt die Führung des Mediums seitlich, so daß auch hier die Enden der Zellen mit dem Medium in Berührung kommen und so eine Kühlung bzw. einen Tempera­ turausgleich herbeiführen können. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel hat sich auch eine Anordnung nach den Fig. 5 und 6 bewährt. In der Mitte des aufrecht stehen­ den Zellpaketes wird ein Leerrohr 4 angebracht. In diesem Leerrohr 4 oder in dessen Nähe wird ein Lüfter 3 instal­ liert. Der Lüfter 3 - in diesem Fall z. B. ein Flügelrad - bläst das Medium durch das Leerrohr, worauf es unter dem Zellpaket hinweg radial nach außen geführt, an den Seiten nach oben und über den Zellen hinweg zurück zum Leerrohr 4 mit dem Lüfter 3 gelangt. Der Ventillator kann auch so an­ geordnet sein, daß er das Medium durch das Leerrohr saugt und sich damit die Richtung der Zirkulation des Mediums umkehrt. Diese Anordnung der Mediumführung hat sich beson­ ders gut bewährt bei Batterien, die von der Grundfläche her eher quadratisch aufgebaut sind.

Hochenergiebatterien, die bei erhöhten Temperaturen arbei­ ten, müssen während der Stillstand- und Ladezeiten nachge­ heizt werden, um den Wärmeabfluß über das Gehäuse zu kom­ pensieren. Wenn diese Batterien geringe Entladeraten auf­ weisen, d. h. Entladungen, die länger als etwa zwei Stunden dauern, um die gesamte Kapazität der Batterie zu entladen, dann benötigt man kaum oder keine Kühlung, sondern ledig­ lich eine Zusatzheizung, um den Wärmeabfluß über das Ge­ häuse zu kompensieren. In diesem Fall kann die Heizung in den aufsteigenden Medienstrom angeordnet werden und das Gebläse ggf. entfallen. Die Zirkulation des Mediums er­ folgt dann allein aufgrund der Konvektion.

Bei stärker rechteckförmigen Batteriegehäusen, die kein zentrales Leerrohr haben, wird die Heizung entweder an ei­ ner Stirnseite oder an einer Seitenfläche angeordnet. Dar­ aus ergibt sich ein Zirkulieren des Mediums um das Zellpa­ ket herum. Bei den Batterien, die mit einem Leerrohr ver­ sehen werden, das sich in der Mitte des Zellpaketes befin­ det, kann die Heizung in das Leerrohr integriert werden, wodurch das Medium im Leerrohr aufsteigt und ebenfalls um das Zellpaket zirkuliert.

Die Anordnungen um das Medium zur Kühlung oder zum Tempe­ raturausgleich über bzw. unter den Zellen hindurchzufüh­ ren, haben sich auch bewährt, wenn zwei Zellpakete über­ einander angeordnet sind, z. B. vertikal stehende Zellen in zwei Ebenen. Hierbei ist es ausreichend, das Medium waag­ recht zwischen den zwei Paketen hindurch und über das obere Paket hinwegzuführen, um die gesamte Batterie ent­ sprechend zu kühlen bzw. für den entsprechenden Tempera­ turausgleich zu sorgen.

Es ist noch zu erwähnen, daß das angegebene System zur Kühlung bzw. zum Temperaturausgleich in Batterien auch dann geeignet ist, wenn keine rohrförmigen Stabzellen ein­ gesetzt werden, sondern Zellen mit rechteckförmigen oder anderem Gehäusequerschnitt. Auch die Höhe der Zellen ist von untergeordnetem Einfluß. Als Medium kann am einfach­ sten Luft verwendet werden. Es ist aber auch möglich, flüssige Medien einzusetzen, die sich zweckmäßig in einem entsprechenden Rohrsystem befinden.

Die Zellen bzw. das Zellpaket sind dann auf einer vom Me­ dium durchströmten Kühlplatte stehend angeordnet, zusätz­ lich kann eine weitere durchströmte Kühlplatte auf dem Zellpaket liegend angebracht sein. Um die Wärme auszubrin­ gen, ist außerhalb der Batterie ein Wärmetauscher vorzuse­ hen sowie eine Pumpe, um das flüssige Medium durch dieses Rohr-/Plattensystem zu transportieren. Im Falle eines Wär­ meausgleichs, der ohne Pumpe erfolgt, wird die Heizung in dem aufsteigenden Teil des Flüssigkeitssystem angebracht, d. h. an einer Stirnfläche oder an einer Seitenfläche bzw. in dem zentralen Leer-Rohr der Batterie.

Mit den Enden der Zellen sind jeweils deren obere und un­ tere Stirnflächen bzw. Stirnflächenbereiche gemeint. Als Medium kommen sowohl gasförmige als auch flüssige Stoffe in Betracht. Gasförmige Stoffe wie z. B. Luft sind im all­ gemeinen bevorzugt.

Claims (9)

1. Hochenergiebatterie für hohe Betriebstemperaturen mit einer Vielzahl von in einem Gehäuse nebeneinander angeord­ neten Zellen und mit einem innerhalb des Gehäuses strömen­ den flüssigen oder gasförmigen Medium, zur Beeinflussung der Temperatur der einzelnen Zellen dadurch gekennzeich­ net, daß das Medium derart innerhalb des Gehäuses geführt ist, daß lediglich eines oder beide Enden der Zellen mit dem Medium direkt oder indirekt in Wärmetauschkontakt ge­ bracht werden.

2. Hochenergiebatterie nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Zellen stabförmig ausgebildet sind.

3. Hochenergiebatterie nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium jeweils nur das eine Ende der Zellen beeinflußt.

4. Hochenergiebatterie nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium nur die beiden gegenüber­ liegenden Enden beeinflußt.

5. Hochenergiebatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium die Enden der Zel­ len direkt umströmt.

6. Hochenergiebatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium die Enden der Zellen indirekt, z. B. unter Zwischenfügung eines elek­ trisch isolierenden Materials wärmemäßig beeinflußt.

7. Hochenergiebatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Gehäuses wenig­ stens ein parallel zur Längsrichtung der Zellen angeordne­ ter Strömungskanal vorgesehen ist, in dem Mittel zur Be­ einflussung der Temperatur und/oder der Strömungsgeschwin­ digkeit des Mediums angeordnet sind.

8. Hochenergiebatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse mit Durchführungen vorgesehen ist, die es gestatten, die Strömung und/oder die Temperatur zumindest zeitweise außerhalb des Gehäuses zu beeinflussen bzw. das Medium auszutauschen.

9. Hochenergiebatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Medium innerhalb des Batteriegehäuses zumindest zeitweise in einem geschlosse­ nen Kreislauf befindet.