EP4022710A1 - Temperiervorrichtung - Google Patents

Temperiervorrichtung

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EP4022710A1
EP4022710A1 EP20758099.4A EP20758099A EP4022710A1 EP 4022710 A1 EP4022710 A1 EP 4022710A1 EP 20758099 A EP20758099 A EP 20758099A EP 4022710 A1 EP4022710 A1 EP 4022710A1
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EP
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section
temperature control
flow
battery cells
control device
Prior art date
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Application number
EP20758099.4A
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English (en)
French (fr)
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Kilian MENZL
Peter DOBUSCH
Gerhard WALDSCHÜTZ
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John Deere Electric Powertrain LLC
Original Assignee
Kreisel Electric GmbH and Co KG
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Publication date
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Definitions

  • the invention relates to a temperature control device with individual battery cells assembled to form a module, which are arranged within a flow channel through which a temperature control fluid flows in a main flow direction.
  • Temperature control devices for battery modules of different designs are known from the prior art, in which individual battery cells are arranged within a flow channel (DE102015013377A1).
  • a temperature control fluid flows through the flow channel in a main flow direction from a group of first fluid connections to a group of second fluid connections.
  • This problem is exacerbated with particularly dense packing of the battery cells, because then even small dead volumes are sufficient to make an efficient flow around the battery cells and thus a highly dynamic temperature control with, at the same time, small amounts of temperature control fluid impossible.
  • it is essential for a long service life of the battery cells it is important to operate them in a low temperature range and to allow only small temperature spreads within a battery module.
  • the invention achieves the stated object in that for each battery cell of a group a flow guide surface is provided which is spaced apart from a jacket section of the battery cell and which has an inlet and outlet section that is essentially parallel to the jacket section and that between the inlet and outlet section a facing these and the jacket section Recessed diffuser section is arranged.
  • the invention is based on the knowledge that when the flow around the battery cells is known from the prior art, only a punctual and short-term cooling effect occurs without a complete heat exchange between the temperature control fluid and the battery cells being able to take place.
  • the flow guide surfaces of adjacent battery cells form a flow divider.
  • the flow divider occupies the space between the adjacent battery cells with the exception of the guide channels resulting between the flow guide surfaces and the battery cells, so that the otherwise existing dead volume can be reduced.
  • an arrangement of the individual battery cells in the form of a very close circular packing thus results in flow dividers with an approximately star-shaped cross section with three jets.
  • Tests have shown that the ventilation behavior of the flow channel can be improved by a group of flow dividers forming a further flow guide surface which runs essentially parallel to the inner wall of the flow channel.
  • At least one group of flow dividers 7 has flow guide surfaces 8 which run essentially parallel to a jacket section 9 of the battery cells 2.
  • These flow guide surfaces 8 have an inlet section 10 or outlet section 11, both of which are arranged at the same distance, i.e. normal distance from the jacket section 9.
  • a diffuser section 12 whose distance from the jacket section 9 is 5 to 30% greater than the distance from this jacket section 9 to the inlet section 10 or to the outlet section 11.
  • the fluid connections 4, 5 on the opposite edge sections ensure more homogeneous flow conditions when the temperature control fluid enters the flow channel 3.
  • the cross section of these fluid connections 4, 5 is oval and flattened in the main flow direction 6.
  • the available space is optimally used and, on the other hand, turbulence in the inflow and outflow area is minimized.
  • flow guide elements 16 are provided, each of which has a flow guide surface 17 that is convex towards the fluid connection 4, 5 as a flow resistance and serves as a flow divider.

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Abstract

Es wird eine Temperiervorrichtung mit einzelnen, zu einem Modul zusammengesetzten Batteriezellen (2), die innerhalb eines von einem Temperierfluid in einer Hauptströmungsrichtung (6) durchflossenen Strömungskanales (3) angeordnet sind beschrieben. Um eine Temperiervorrichtung der eingangs beschriebenen Art so auszugestalten, dass die Temperaturregelung einer Temperiervorrichtung bei gleichbleibender Packungsdichte der Batteriezellen (2) trotz geringen Temperierfluidmengen verbessert wird, wird vorgeschlagen, dass je Batteriezelle (2) einer Gruppe eine von einem Mantelabschnitt (9) der Batteriezelle (2) beabstandete Strömungsleitfläche (8) vorgesehen ist, die je einen zum Mantelabschnitt (9) im Wesentlichen parallelen Ein- (10) und Auslassabschnitt (11) aufweist und dass zwischen Ein- (10) und Auslassabschnitt (11) ein gegenüber diesen und dem Mantelabschnitt (9) zurückversetzter Diffusorabschnitt (12) angeordnet ist.

Description

T emperiervorrichtung
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine Temperiervorrichtung mit einzelnen, zu einem Modul zusammengesetzten Batteriezellen, die innerhalb eines von einem Temperierfluid in einer Hauptströmungsrichtung durchflossenen Strömungskanales angeordnet sind.
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind Temperiervorrichtungen für Batteriemodule unterschiedlicher Bauweise bekannt, bei denen einzelne Batteriezellen innerhalb eines Strömungskanals angeordnet sind (DE102015013377A1). Der Strömungskanal wird dabei in einer Hauptströmungsrichtung von einer Gruppe von ersten Fluidanschlüssen zu einer Gruppe von zweiten Fluidanschlüssen von einem Temperierfluid durchströmt. Nachteilig ist daran allerdings, insbesondere im Fall von zylindrischen Batteriezellen, dass sich zwischen den Batteriezellen im Strömungskanal unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten ausbilden, sodass ein gleichmäßiger Wärmeaustausch zwischen den Batteriezellen und dem Temperierfluid behindert wird. Dieses Problem verstärkt sich bei einer besonders dichten Packung der Batteriezellen, weil dann bereits kleine Totvolumina ausreichen, um eine effiziente Umströmung der Batteriezellen und damit eine hochdynamische Temperaturregelung bei gleichzeitig geringen Temperierfluidmengen unmöglich zu machen. Gerade bei Leistungsspitzen, sowohl beim Laden als auch beim Entladen, ist es allerdings für eine lange Lebensdauer der Batteriezellen wichtig, diese in einem geringen Temperaturbereich zu betreiben und innerhalb eines Batteriemoduls nur geringe Temperaturspreizungen zuzulassen.
Darstellung der Erfindung Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, die Temperaturregelung einer Temperiervorrichtung bei gleichbleibender Packungsdichte der Batteriezellen trotz geringen Temperierfluidmengen zu verbessern.
Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass je Batteriezelle einer Gruppe eine von einem Mantelabschnitt der Batteriezelle beabstandete Strömungsleitfläche vorgesehen ist, die je einen zum Mantelabschnitt im Wesentlichen parallelen Ein- und Auslassabschnitt aufweist und dass zwischen Ein- und Auslassabschnitt ein gegenüber diesen und dem Mantelabschnitt zurückversetzter Diffusorabschnitt angeordnet ist. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei aus dem Stand der Technik bekannter Umströmung der Batteriezellen nur eine punktuelle und kurzfristige Kühlwirkung eintritt, ohne dass ein vollständiger Wärmetausch zwischen dem Temperierfluid und den Batteriezellen erfolgen kann. Erfindungsgemäß wird daher zwischen einer von der Batteriezelle beabstandeten Strömungsleitfläche und wenigstens einem Mantelabschnitt der Batteriezelle ein Führungskanal für das Temperierfluid ausgebildet, indem der Batteriezellenmantel gleichmässig und länger umströmt wird, wobei der Diffusorabschnitt dafür sorgt, dass kein Staupunkt für das Temperierfluid entsteht und der Druckverlust entlang des Kanals minimiert wird. Auf der anderen Seite verringern die Strömungsleitflächen bei geeigneter Anordnung die Totvolumina im Strömungskanal, sodass eine dynamischere Temperaturregelung möglich wird. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird der Batteriezellenmantel dabei direkt vom Temperfluid angeströmt. Das bedeutet, dass der Batteriezellenmantel genauso wie die Strömungsleitfläche in unmittelbarem Kontakt mit dem Temperierfluid steht. Strömungssimulationen haben ergeben, dass eine besonders effiziente Kühlung erreicht werden kann, wenn der Abstand zwischen Mantelabschnitt und Diffusorabschnitt um 5 bis 30% größer als der Abstand zwischen Mantelabschnitt und Ein- bzw. Auslassabschnitt ist. Eine ausreichende Verringerung eines Staupunktes und eines damit einhergehenden Druckverlustes kann insbesondere dann erreicht werden, wenn der Abstand zwischen Mantelabschnitt und Diffusorabschnitt um 5 bis 15% größer als der Abstand zwischen Mantelabschnitt und Ein- bzw. Auslassabschnitt ist. Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass die Abstandsverhältnisse innerhalb eines Strömungskanales auch voneinander abweichen können. So wird vorgeschlagen, dass das Verhältnis zwischen dem Abstand zwischen Mantelabschnitt und Diffusorabschnitt und dem Abstand zwischen Mantelabschnitt und Einlass- bzw. Auslassabschnitt in den Randbereichen des Strömungskanales größer ist als in dessen Mitte. Vor allem beim Einsatz von zylindrischen Batteriezellen kann der Abstand zwischen Mantelabschnitt und Diffusorabschnitt in einem Bereich von 1,25 mm und 2,25 mm, vorzugsweise bei 1 ,75 mm liegen, während der Abstand zwischen Mantelabschnitt und Ein- bzw. Auslassabschnitt in einem Bereich von 1 mm bis 2 mm, vorzugsweise bei 1 ,6 mm liegen kann.
Um mit möglichst einfachen konstruktiven Maßnahmen nicht nur für eine Aufteilung des Fluidstroms, sondern auch für eine gleichmäßige Anströmung der Batteriezellen zu sorgen, wird vorgeschlagen, dass die Strömungsleitflächen aneinander angrenzender Batteriezellen einen Strömungsteiler bilden. Dies bedeutet, dass der Strömungsteiler den Zwischenraum zwischen den aneinander angrenzenden Batteriezellen mit Ausnahme der sich zwischen den Strömungsleitflächen und den Batteriezellen ergebenden Führungskanäle einnimmt, sodass das ansonsten vorhandene Totvolumen verringert werden kann. Gerade im Fall von zylindrischen Batteriezellen ergeben sich somit bei einer Anordnung der einzelnen Batteriezellen in Form einer dichtesten Kreispackung Strömungsteiler mit annähernd sternförmigem Querschnitt mit drei Strahlen. In Versuchen hat sich gezeigt, dass das Entlüftungsverhalten des Strömungskanales verbessert werden kann, indem eine Gruppe von Strömungsteilern eine weitere Strömungsleitfläche ausbildet, die im Wesentlichen parallel zur Innenwand des Strömungskanals verläuft. Hierbei wird zusätzlich zu den bereits beschriebenen Wirkungen des Strömungsteilers die anfangs im
Strömungskanal vorhandene Luftmenge verringert und beim Entlüften effizienter abgeleitet. Die Entlüftung kann weiter verbessert werden, wenn der Abstand zwischen der weiteren Strömungsleitfläche und der Innenwand größer als der Abstand zwischen den Einlass- bzw. Auslassabschnitten der übrigen Strömungsleitflächen und dem Mantelabschnitt der jeweiligen angrenzenden Batteriezelle ist.
Damit das Kühlfluid über den gesamten Strömungskanalquerschnitt mit homogener Strömungsgeschwindigkeit in die Führungskanäle eingeleitet werden kann, wird vorgeschlagen, dass der Strömungskanal an zwei einander in Hauptströmungsrichtung gegenüberliegenden Randabschnitten je wenigstens zwei Fluidanschlüsse aufweist, wobei zwischen den wenigstens zwei Fluidanschlüssen eines Randabschnitts wenigstens eine Batteriezelle angeordnet ist. Durch diese Anordnung mehrerer Fluidanschlüsse können nicht nur die
Geschwindigkeitsunterschiede quer zur Hauptströmungsrichtung verringert werden, wodurch sich ein gleichmäßiger Wärmetausch aller Batteriezellen besser realisieren lässt, sondern auch die lokal hohe Strömungsgeschwindigkeit normal zur Einströmrichtung des Temperierfluides sofort zur Kühlung einer zwischen den wenigstens zwei Fluidanschlüssen eines Randabschnitts gelagerten Batteriezelle genutzt werden. Unter einer Anordnung einer Batteriezelle zwischen wenigstens zwei Fluidanschlüssen wird dabei verstanden, dass der in Hauptströmungsrichtung verlaufende Querschnitt der Batteriezelle zumindest abschnittweise in Hauptströmungsrichtung auf Höhe der Fluidanschlüsse liegt. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Temperiervorrichtung verläuft die Einströmrichtung der Fluidanschlüsse normal zur Hauptströmungsrichtung in Längsrichtung beispielsweise zylindrischer Batteriezellen. Eine gleichmäßigere Verteilung des Temperierfluids besonders im unmittelbar an die Fluidanschlüsse anschließenden Bereich wird erreicht, indem zwischen einem Fluidanschluss und zwei an den Fluidanschluss angrenzenden Batteriezellen ein Strömungsleitelement vorgesehen ist, dass eine zum Fluidanschluss hin konvex ausgeformte Strömungsleitfläche aufweist. Diese bildet hierbei einen Strömungswiderstand, der die in dem Bereich hinter dem Strömungsleitelement einfließende Temperierfluidmenge begrenzt. Sofern, wie oben beschrieben, zwei Fluidanschlüsse an eine Batteriezelle anschließen, empfiehlt es sich, zwischen jedem der Fluidanschlüsse und der Batteriezelle ein erfindungsgemäßes Strömungsleitelement vorzusehen, sodass das durch beide Fluidanschlüsse einströmende Temperierfluidvolumen entsprechend der nur durch einen Fluidanschluss angeströmten Batteriezellen reduziert werden kann.
Um im Einströmbereich Turbulenzen zu vermeiden, können die Fluidanschlüsse einen ovalen, vorzugsweise elliptischen, in Flauptströmungsrichtung abgeflachten Querschnitt aufweisen. Dadurch wird nicht nur der verfügbare Raum der Temperiereinrichtung, der nicht für Batteriezellen zur Verfügung steht, optimal genutzt, sondern auch ein Druckabfall in Flauptströmungsrichtung entlang der Fluidanschlüsse vermieden.
Kurze Beschreibung der Erfindung
In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt. Es zeigen
Fig. 1 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Temperiervorrichtung,
Fig. 2 eine Seitenansicht dieser erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung und Fig. 3 ein Detail der Fig. 1 in einem größeren Maßstab.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Eine erfindungsgemäße Temperiervorrichtung weist Öffnungen 1 zur Aufnahme von Batteriezellen 2 in einem Strömungskanal 3 auf. Dieser Strömungskanal 3 weist zwei einlassseitige Fluidanschlüsse 4 und zwei auslassseitige Fluidanschlüsse 5 auf, zwischen denen sich eine Hauptströmungsrichtung 6 ausbildet. In dem Strömungskanal 3 sind Strömungsteiler 7 angeordnet, die sich in einer bevorzugten Ausführungsform quer zur Hauptströmungsrichtung 6 innerhalb des Strömungskanales 3 von einer Öffnung 1 zu einer bezüglich des Strömungskanales 3 gegenüberliegenden Öffnung 1 erstrecken.
Wie insbesondere der Fig. 3 entnommen werden kann, weist wenigstens eine Gruppe von Strömungsteilern 7 Strömungsleitflächen 8 auf, die im Wesentlichen Parallel zu einem Mantelabschnitt 9 der Batteriezellen 2 verlaufen. Diese Strömungsleitflächen 8 weisen einen Einlassabschnitt 10, bzw. Auslassabschnitt 11 auf, die beide im selben Abstand, d.h. Normalabstand zum Mantelabschnitt 9 angeordnet sind. Zwischen dem Einlassabschnitt 10 und dem Auslassabschnitt 11 befindet sich ein Diffusorabschnitt 12, dessen Abstand zum Mantelabschnitt 9 um 5 bis 30% größer als der Abstand dieses Mantelabschnitts 9 zum Einlassabschnitt 10 bzw. zum Auslassabschnitt 11 ist.
In den Randbereichen des Strömungskanals 3 befinden sich weitere Strömungsteiler 13, welche im wesentlich parallel zur Innenwand 14 des Strömungskanals 3 verlaufende weitere Strömungsleitflächen 15 ausbilden und das Entlüftungsverhalten des Strömungskanales 2, sowie optimierte Strömungsbedingungen in den Randbereichen gewährleisten.
Auch die weiteren Strömungsleitflächen 15 können, wie in der Fig. 3 dargestellt, einen Einlassabschnitt 10, einen Auslassabschnitt 11 und einen zwischen diesen liegenden, gegenüber der Innenwand 14 zurückversetzten Diffusorabschnitt 12 aufweisen.
Die Fluidanschlüsse 4, 5 an den gegenüberliegenden Randabschnitten gewährleisten durch ihre Anordnung homogenere Strömungsverhältnisse beim Eintritt des Temperierfluides in den Strömungskanal 3. Der Querschnitt dieser Fluidanschlüsse 4, 5 ist oval und in Hauptströmungsrichtung 6 abgeflacht ausgestaltet. Damit wird einerseits der verfügbare Raum optimal genützt und andererseits Turbulenzen im Ein- bzw. Ausströmungsbereich minimiert. Um auch bereits im unmittelbar auf die Fluidanschlüsse 4, 5 folgenden Bereich gleichmäßige Strömungsverhältnisse zu gewährleisten, werden Strömungsleitelemente 16 vorgesehen, die je eine zum Fluidanschluss 4, 5 hin konvex ausgeformte Strömungsleitfläche 17 als Strömungswiderstand aufweisen und als Strömungsteiler dienen.

Claims

Patentansprüche
1. Temperiervorrichtung mit einzelnen, zu einem Modul zusammengesetzten Batteriezellen (2), die innerhalb eines von einem Temperierfluid in einer Hauptströmungsrichtung (6) durchflossenen Strömungskanales (3) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass je Batteriezelle (2) einer Gruppe eine von einem Mantelabschnitt (9) der Batteriezelle (2) beabstandete Strömungsleitfläche (8) vorgesehen ist, die je einen zum Mantelabschnitt (9) im Wesentlichen parallelen Ein-(10) und Auslassabschnitt (11) aufweist und dass zwischen Ein-(10) und Auslassabschnitt (11) ein gegenüber diesen und dem Mantelabschnitt (9) zurückversetzter Diffusorabschnitt (12) angeordnet ist.
2. Temperiervorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen Mantelabschnitt (9) und dem Diffusorabschnitt (12) um 5 bis 30% größer als der Abstand zwischen Mantelabschnitt (9) und Ein-(10) bzw. Auslassabschnitt (11) ist.
3. Temperiervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsleitflächen (8) aneinander angrenzender Batteriezellen (2) einen Strömungsteiler (7) bilden.
4. . Temperiervorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gruppe von Strömungsteilern (13) eine weitere Strömungsleitfläche (15) ausbildet, die im Wesentlichen parallel zur Innenwand (14) des Strömungskanals (2) verläuft.
5. Temperiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (2) an zwei einander in Hauptströmungsrichtung (6) gegenüberliegenden Randabschnitten je wenigstens zwei Fluidanschlüsse (4, 5) aufweist, wobei zwischen den wenigstens zwei Fluidanschlüssen (4, 5) eines Randabschnitts wenigstens eine Batteriezelle (2) angeordnet ist.
6. Temperiervorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem Fluidanschluss (4, 5) und zwei an den Fluidanschluss (4, 5) angrenzenden Batteriezellen (2) ein Strömungsleitelement (16) vorgesehen ist, dass eine zum Fluidanschluss (4, 5) hin konvex ausgeformte Strömungsleitfläche (17) aufweist.
7. Temperiervorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidanschlüsse (4, 5) einen ovalen, in Flauptströmungsrichtung (6) abgeflachten Querschnitt aufweisen.
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