DE69823912T2

DE69823912T2 - Temperaturregelungsvorrichtung für eine Batterie von elektrochemischen Generatoren

Info

Publication number: DE69823912T2
Application number: DE1998623912
Authority: DE
Inventors: Pascal Flament; Jean Fradin; Laurent Souliac; Gerard Rigobert
Original assignee: Alcatel SA
Current assignee: Alcatel Lucent SAS
Priority date: 1997-03-24
Filing date: 1998-03-23
Publication date: 2005-05-25
Anticipated expiration: 2018-03-24
Also published as: EP0869571B1; FR2761203A1; US6087038A; DE69823912D1; JPH10334953A; CA2230943A1; FR2761203B1; EP0869571A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Steuern der Temperatur einer Batterie elektrochemischer Generatoren mit zylindrischer Form mit spiralförmigem Bündel, die nebeneinander angeordnet sind. Es kann sich z. B. um Generatoren vom Lithium-Ionen-Typ und mit großer Kapazität (etwa 44 Ah) handeln. Für Anwendungen wie den Elektrowagen sind solche Generatoren oft zu einer Batterie aus. drei Paaren zusammengesetzt, die aus zwei parallel geschalteten Elementen in Reihe zusammengesetzt sind, die eine Kapazität von 2 × 44 Ah = 88 Ah liefern.
Es kann nötig sein, dass die zylindrischen, elektrochemischen Generatoren mit spiralförmigem Bündel gekühlt werden, da sie sich während ihrer Verwendung erwärmen, oder ganz im Gegenteil erwärmt werden, wenn sie bei niedrigen Temperaturen arbeiten müssen.
Es ist bekannt, zu diesem Zweck die Temperatur der Batterie durch Zirkulation eines Wärmetransportfluids zu steuern, das den Generatoren benachbart angeordnet ist.
Zum Beispiel offenbart die Druckschrift DE-A-34 16 745 eine Kühlvorrichtung für einen einzelnen zylindrischen Akkumulator, bei der eine Flüssigkeit in spiralförmigen Kanälen um den unteren Teil eines zylindrischen Kerns zirkuliert, dessen oberer Teil den Elektrolyt enthält. Wenn sie in einer Akkumulatorenbatterie angewendet wird, gestattet diese Lösung keine homogene Verteilung der Temperatur unter allen Elementen der Batterie (besonders gegenüber den Eckelementen), wenn die Schlange die Batterie umgibt, oder sie führt zu einem übermäßigen Platzbedarf, wenn jedes der Elemente von einer Schlange umgeben ist.
Das besondere Problem einer Batterie, die aus nebeneinander angeordneten zylindrischen Akkumulatoren besteht, wird gemäß der Druckschrift DE-41 02 532 gelöst, indem der Raum zwischen den Akkumulatoren mit einem porösen Material gefüllt wird, in dem ein wärmetransportierendes Fluid durch Kapillarwirkung zirkuliert. Aber die Zirkulationsleistung des Fluids ist gering und der Zirkulationsweg schlecht definiert.
Ziel der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Steuern der Temperatur einer Batterie vorzuschlagen, die diese Nachteile nicht besitzt, sondern ganz im Gegenteil eine gute Homogenität der Temperaturen der verschiedenen Elemente sicherstellt, indem die Temperaturgradienten zwischen ihnen verringert wird.
Dieses Ziel wird erfindungsgemäß dank einer Vorrichtung zum Steuern der Temperatur einer Batterie elektrochemischer Generatoren (10) erreicht, bei der der Wärmetransport durch die Zirkulation eines wärmetransportierenden Fluids, im Inneren einer Doppelwand (3, 4) sichergestellt wird, wobei im Inneren der Doppelwand (3, 4) Vorsprünge (19, 20) schikaneartig angeordnet sind, um das Fluid dazu zu bringen, abwechselnd in einer Richtung und in entgegengesetzter Richtung zu zirkulieren, dadurch gekennzeichnet, dass die Generatoren zylinderförmig und nebeneinander angeordnet sind, und dass das wärmetransportierende Fluid in einer Doppelwand-Umhüllung zirkuliert, deren Querschnitt die Form von Kreisbögen (6) besitzt, die an ihren Enden so miteinander verbunden sind, dass die Verbindungspunkte (7) der Bögen (6) im Wesentlichen fluchten, wobei die Wand (3, 4) so an der Batterie angeordnet ist, dass jeder der Kreisbögen (6) koaxial an einen der Generatoren (10) angefügt ist, wobei die Vorsprünge (19, 20) so angeordnet sind, dass sie das Fluid dazu bringen, parallel zum Querschnitt zu zirkulieren.
Indem die Zirkulation des wärmetransportierenden Fluids in einer Umhüllung, die zum Beispiel aus Kunststoff besteht, der sich an das Profil mehrerer übereinander liegender Generatoren anpasst und eine parallele Zirkulation benachbart zu diesen sicherstellt, so angeordnet wird, wird die gewünschte Homogenität erhalten, obwohl ein begrenzter Platzbedarf vorliegt.
Vorteilhafterweise umfasst die Vorrichtung der Erfindung Ein- und Ausgangsansätze oder -stutzen für das wärmetransportierende Fluid, die so parallel zu den Generatoren angeordnet sind, dass die Verbindung bzw. das Füllen vereinfachen. Um den Platzbedarf zu begrenzen, bleiben die Stutzen im Inneren des Hüllvolumens der Batterie. Die Länge der gekühlten Zone und somit der Umhüllung muss nur gleich der Länge des aktiven Teils (spiralförmige Spule) im Inneren des Generators sein; sie ist somit kürzer als der Behälter für den Generator, was Platz für die Stutzen lässt.
In dem Fall, in dem der Behälter für die Generatoren aus elektrisch leitendem Material, z. B. metallisch, ist, ist es notwendig, die Elemente untereinander elektrisch zu isolieren. Der Abschnitt der Oberfläche der Vorrichtung, der den Behälter berührt, ist also aus elektrisch isolierendem Material. Vorzugsweise umgibt man den Behälter mit einem elektrisch isolierenden Material, das nur den Oberflächenabschnitt des Behälters freilässt, der die Vorrichtung nicht berührt.
Auf diese Weise wird die Menge an zu verwendendem isolierendem Material minimiert und die Generatoren sind effizient gegeneinander isoliert. Außerdem wird der Wärmeaustausch mit der Vorrichtung gemäß der Erfindung nicht durch das Vorhandensein einer Zwischenschicht gestört.
Weisere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor, die unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen angefertigt wurde, in denen
1 eine Perspektivansicht einer ersten Ausführungsform einer thermischen Umhüllung entsprechend der Erfindung ist,
2 eine Seitenansicht der Umhüllung von 1 ist,
3 eine Ansicht im Schnitt AA der 2 ist,
4 eine Perspektivansicht einer zweiten Ausführungsform der thermischen Umhüllung ist,
5 eine Teilschnittansicht analog zu 3 ist, die das Vorhandensein eines isolierenden Films zeigt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Steuern der Temperatur, die in den Zeichnungen dargestellt ist, ist für eine Batterie aus sechs zylindrischen, elektrochemischen Generatoren bestimmt, die in zwei aneinandergrenzenden Säulen aus drei horizontal übereinanderliegenden Generatoren angeordnet sind, die in den 1, 2 und 4 nicht dargestellt, aber in 3 skizziert sind.
Die Vorrichtung besteht aus einer Umhüllung 1 mit Doppelwand, die sich an die Form der Generatoren anpasst.
Die Umhüllung besteht aus zwei Halbumhüllungen 2, die jeweils eine thermische Steuerung für eine vertikale Säule von Generatoren sicherstellen.
Jede Halbumhüllung 2 umfasst eine Innenwand 3, die sich an die übereinanderliegenden, zylindrischen Abschnitte der Generatoren 10 anschmiegt, und eine Außenwand 4 mit der gleichen Form, die in geringem Abstand zur Innenwand 3 gehalten wird, um einen Zirkulationsraum 5 für das wärmetransportierende Fluid vorzusehen.
Die Doppelwand 3, 4 bildet somit im Querschnitt (entspr. 3) Kreisbögen 6 aus, die mit ihren Enden aneinandergefügt sind, wobei die Verbindungspunkte 7 der Bögen im Wesentlichen in einer vertikalen Ebene fluchten.
Die Innenwand 3 umfasst profilierte Elemente 8 zur horizontalen Trennung der Generatoren 10, während profilierte Zwischenelemente 11 und 12 die Generatoren 10 vertikal zwischen den beiden Halbumhüllungen 2 trennen.
Die Außenwand 4 umfasst stellenweise Vorsprünge 13, 14 in Form von Flügeln, sowie Abflachungen 15, die in einer vertikalen Ebene fluchten.
An den oberen Enden in Längsrichtung jeder Halbumhüllung ist ein Ansatz 16 ausgebildet, an dem der Zufuhrstutzen 17 und der Ablassstutzen 18 horizontal angeordnet sind, wobei ihr innerer Kanal über das Innere des Ansatzes mit dem Raum 5 in Verbindung steht. Die Stutzen 17, 18 bleiben im Inneren des Hüllvolumens der Batterie, von dem die Begrenzungen 23 in Längsrichtung in 2 skizziert sind.
Der Raum 5 ist innen durch vertikale hohe 19 und niedrige 20 Schikanen unterteilt, die eine innere Zirkulation abwechselnd von oben nach unten und von unten nach oben definieren, wie die Pfeile 21 (3) zeigen, dank welcher die Generatoren effizient und auf möglichst homogene Weise gekühlt werden können.
Die Elemente werden nämlich parallel gekühlt. Der Temperaturgradient, der zwischen dem Anfang und dem Ende der Zirkulation den Elementen benachbart erzeugt wird, wird durch die starke Wärmeleitung der Elektroden in der Ebene der Paare (Achse des Elements) absorbiert.
Die beiden parallelen Kühlkreise beschränken Ladungsverluste.
Schließlich tritt die wärmetransportierende Flüssigkeit oben am Modul durch die horizontalen Stutzen ein und aus, was die Blasen in den Verbindungsrohren beim Füllen begrenzt und das hydraulische In-Reihe-Schalten der Batterien (zwei Batterien besitzen ihre Stutzen gegenüber) erleichtert.
4 zeigt eine Ausführungsvariante der thermischen Umhüllung. Die Innenwand 3', die die schikaneartigen Rippen 19 und 20 umfasst, ist von einem Rand umgeben, der einen ebenen Rahmen 22 bildet, an dem ein Deckel (nicht dargestellt) befestigt werden kann, der eine Außenwand umfasst, die mit der Innenwand 3' zusammenwirkt, um einen Zirkulationsraum für das wärmetransportierende Fluid zu definieren. Bei dieser Ausführungsform werden die Zufuhr- 17' und die Ablassstutzen 18' an den Ecken des Rahmens 22 ausgebildet.
5 zeigt eine Ausführungsvariante der Batterie der Erfindung gemäß welcher die Behälter der Generatoren aus Metall sind. Die Innenwand 3 der Halbumhüllung 2, die aus Kunststoff besteht, ist elektrisch isolierend, wenigstens in dem Abschnitt ihrer Oberfläche, der die Behälter der Generatoren 10 berührt. In dem Oberflächenabschnitt des Behälters der Generatoren 10, der die Wand 3 der Vorrichtung nicht berührt, ist eine Schicht 25 aus isolierendem Material aufgetragen, das unter der Marke "NOMEX" bekannt ist.

Claims

Vorrichtung zum Steuern der Temperatur einer Batterie elektrochemischer Generatoren (10), in welcher Vorrichtung der Wärmetransport durch die Zirkulation eines wärmetransportierenden Fluids innen an einer Doppelwand (3, 4) erzielt ist, wobei innen an der Doppelwand (3, 4) Vorsprünge (19, 20) schikaneartig angeordnet sind, um das Fluid zu zwingen, abwechselnd in eine beziehungsweise in die entgegengesetzte Richtung zu zirkulieren, dadurch gekennzeichnet, dass die Generatoren zylinderförmig sind und nebeneinander angeordnet sind, und dass das wärmetransportierende Fluid in einer Doppelwand-Umhüllung zirkuliert, deren Querschnitt die Form von Kreisbögen (6) aufweist, welche an ihren Enden derart miteinander verbunden sind, dass die Verbindungs-Punkte (7) der Bögen (6) im Wesentlichen fluchten, wobei die Wand (3, 4) derart gegenüber der Batterie angeordnet ist, dass jeder der Kreisbögen (6) koaxial an einen der Generatoren (10) angefügt ist, wobei die Vorsprünge (19, 20) derart angeordnet sind, dass sie das Fluid zwingen, parallel zu dem Querschnitt zu zirkulieren.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, aufweisend einen Eintritts-Stutzen (17) und einen Austritts-Stutzen (18) für wärmetransportierendes Fluid, welche parallel zu den Generatoren (10) angeordnet sind.
Vorrichtung gemäß Anspruch 2, bei welcher sich die Stutzen (17, 18) innerhalb des Batterie-Umhüllungs-Volumens (23) befinden.
Batterie elektrochemischer Generatoren, aufweisend die Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welcher Batterie der Behälter der Generatoren aus einem elektrisch leitfähigen Material ist, und wobei der mit dem Behälter in Kontakt stehende Abschnitt der Fläche der Vorrichtung aus elektrisch isolierendem Material ist, und wobei ein elektrisch isolierendes Material ausschließlich denjenigen Abschnitt der Fläche des Behälters bedeckt, welcher nicht mit der Vorrichtung in Kontakt steht.