WO2011035992A1 - Batteriesystem mit externer prallkühlung - Google Patents

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WO2011035992A1
WO2011035992A1 PCT/EP2010/062000 EP2010062000W WO2011035992A1 WO 2011035992 A1 WO2011035992 A1 WO 2011035992A1 EP 2010062000 W EP2010062000 W EP 2010062000W WO 2011035992 A1 WO2011035992 A1 WO 2011035992A1
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cooling
battery system
fluid flow
plate
battery
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PCT/EP2010/062000
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Christian Pankiewitz
Achim Schmidt
Original Assignee
Sb Limotive Company Ltd.
Sb Limotive Germany Gmbh
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Definitions

  • the present invention provides a battery system with impingement cooling, comprising:
  • a cooling plate located outside the housing; and iv) one or more passive heat conducting means arranged in such a way that thermal energy can be transmitted from the battery cells out of the housing interior to the cooling plate via the passive heat conducting means, characterized in that
  • the battery system has an impingement cooling for the convective transfer of heat energy from the cooling plate to a fluid flow, wherein the impingement cooling is configured such that a fluid flow for receiving heat energy is substantially perpendicular to a surface of the cooling plate feasible.
  • the heat energy produced in the cells is first conducted conductively via passive heat conducting means, such as cooling plates which are contacted with one or more lateral surfaces of the cells, to a cooling plate outside the housing. From there, the heat energy is transferred convectively to a fluid flow by means of impingement cooling with which locally very high heat transfer coefficients can be achieved.
  • passive heat conducting means such as cooling plates which are contacted with one or more lateral surfaces of the cells
  • Under impingement cooling is understood to mean a cooling device, which is characterized in that a fluid flow for receiving heat energy substantially perpendicular to a heat-emitting surface and there generates a so-called "wall-jet", ie, the fluid flow is from the impact location in the radial direction on the Very high heat transfer rates can be achieved around the center of the impact location, which decrease with increasing radial distance from the center of the impact
  • the battery system according to the invention with impingement cooling allows an efficient temperature regulation of the cells of the battery system by means of a fluid flow, while a fluid flow within of the housing is not necessary and thus measures for the treatment of the fluid are no longer necessary.
  • the battery system comprises one or more battery cells.
  • the term "battery system” here refers to electrochemical energy Memory understood, in particular batteries or accumulators of all conventional accumulator technologies. It can be batteries or rechargeable batteries of type Pb - lead acid battery, NiCd - nickel-cadmium rechargeable battery, NiH2 - nickel-hydrogen rechargeable battery, NiMH - nickel-metal hydride rechargeable battery, Li-Ion - lithium-ion battery 5, LiPo - lithium battery Polymer Battery, LiFe - Lithium Metal Battery, Li-Mn - Lithium
  • Batteries of the type of lead / acid, nickel-cadmium, nickel-metal hydride and / or sodium / sodium nickel chloride battery can be used. Particular preference is given to using batteries of the lithium ion battery type.
  • the term "battery system" is used both for individual cells, as well as for module s le of multiple cells, as well as for more complex architectures comprising multiple cells and / or modules.
  • the battery system includes one or more battery cells disposed in a common housing.
  • a battery system can be a
  • Battery cells include.
  • the battery system has a common housing, in which all cells or modules of the battery system are arranged, wherein the cooling plate is positioned outside of this common housing.
  • housing is to be understood as an apparatus
  • a housing may be permanently or temporarily open to the environment in one or two directions.
  • the housing delimits the contained battery cells from the environment in all directions, the housing providing closable accesses, e.g. doors
  • the housing can be made of a material which comprises or consists of a metal, a metal sheet or a ceramic.
  • the battery system according to the invention has at least one cooling plate, which is arranged outside the housing.
  • the battery system may have a plurality of cooling plates arranged outside the housing.
  • One, several or all of the cooling plates of the battery system may be externally attached to a surface of the housing.
  • one, several or all of the cooling plates of the battery system are mounted on an outside of the housing bottom.
  • the cooling plates can be an integral part of the housing, provided at least one surface of the cooling plates is directly accessible from outside the housing for the supply of a fluid stream.
  • the cooling plate on a solid throughout configured surface, which does not allow direct passage into the housing interior.
  • the cooling plates of the battery system are made of a material that has a heat transfer coefficient that allows the fastest possible and effective transfer of heat energy from the cooling plate to the fluid used. Corresponding materials are known to the person skilled in the art.
  • the cooling plates preferably comprise or consist of aluminum.
  • the battery system according to the invention has one or more passive heat conducting means, which are arranged in such a way that thermal energy can be conductively transferred from the battery cells to the cooling plate via the passive heat conducting means.
  • the passive heat conduction can be as large as possible in contact with one or more surfaces of the lateral surface of the battery cells, so that the fastest possible and effective heat transfer from the battery cells to the heat conducting is possible.
  • the passive heat conducting means are designed such that an effective heat transfer is ensured both between the cell and the heat conducting means and between the heat conducting means and the cooling plate.
  • the passive heat conduction of the battery system are made of a material having a heat transfer coefficient, which allow the fastest possible and effective transfer of heat energy from the battery cell to the heat conducting and the heat transfer to the cooling plate used.
  • the passive heat-conducting means are preferably conventional heat-conducting sheets, particularly preferably heat-conducting sheets which contain or consist of aluminum.
  • the battery system according to the invention has an impingement cooling for the convective transfer of heat energy from the cooling plate to a flowing fluid, wherein the impingement cooling is configured such that a fluid flow for receiving heat energy can be guided substantially perpendicularly to a surface of the cooling plate.
  • the impingement cooling may comprise a distributor plate having at least one inlet for receiving a fluid flow and having on the side facing the cooling plate a plurality of outlets / nozzles, wherein the distributor plate is configured and arranged such that a fluid flow through the inlet into the Distributor plate is introduced and emerges from the distributor plate through the plurality of outlets such that the
  • Fluid flow substantially perpendicular to a surface of the cooling plate meets.
  • the design of the outlets can be carried out arbitrarily, provided it is ensured that the outlets are suitable for letting the fluid used escape from the distributor plate.
  • the outlets may be round, oval, triangular, quadrangular, polygonal, square and / or slit-shaped, with the outlets of a distributor plate being designed to be uniform or different.
  • the outlet geometry and arrangement on the distributor plate e.g., outlet density per
  • Manifold plate area, sizing of the exhaust ports may be varied as needed to provide suitable cooling for any desired battery type or battery capacity.
  • the person skilled in the art can determine, without undue effort, by routine experiments alone, suitable parameters for the outlet geometry and arrangement for a given, given battery system.
  • the distributor plate may be mounted so that it is directly and directly connected to the cooling plate. Alternatively, other devices may be provided which are positioned between the distributor plate and the cooling plate.
  • the impingement cooling of the battery system according to the invention can have a fluid distribution system which is designed in such a way that a fluid flow having a predetermined flow rate can be generated at the respective outlets of the distributor plate.
  • the advantage of such a Fluidverteil- system is that so that at the respective outlets the desired amount of
  • the fluid distribution system is designed such that at a plurality and / or all outlets of the distributor plate, a fluid flow at substantially the same flow rate can be generated. This ensures that the cooling capacity across the surface facing the cooling plate is uniform and homogeneous.
  • a fluid distribution system may for example be formed as a separate device, which is positioned between the distributor plate and the cooling plate. However, such a fluid distribution system can also be an integral part of a distributor plate.
  • a fluid distribution system may have a plurality of fluid flow guides formed and arranged between the inlet and outlets of the distributor plate such that a fluid flow having substantially the same flow rate can be generated at a plurality and / or at all outlets of the distributor plate.
  • the fluid flow guides for outlets that are relatively closer to the inlet may be made longer than fluid flow guides for outlets that are relatively further away from the inlet so that the fluid flow from the inlet of the distributor plate has to travel substantially the same distance through which Outlet the fluid flow exits.
  • the fluid which is used as the fluid flow for cooling in the battery system according to the invention can in principle be any type of fluid which is suitable for absorbing heat energy from the cooling plate.
  • This may be a liquid or gaseous fluid.
  • it is a gaseous fluid, in particular it may be air, for example ambient air of the battery system.
  • To generate a fluid flow it may be necessary to provide means which set the fluid below a predetermined, controllable and / or controllable pressure and supply the impingement cooling of the battery system according to the invention as pressure fluid flow.
  • the fluid flow according to the invention is preferred as the fluid system according to the invention
  • the present invention also relates to motor vehicles comprising a battery system according to the invention.
  • the term "motor vehicle” is to be understood as meaning all driven vehicles which have an electrochemical energy store, regardless of which drive they drive Have motor vehicles.
  • the term “motor vehicle” includes HEV (electric hybrid vehicles), PHEV (plug-in hybrid vehicles), EV (electric vehicles), fuel cell vehicles, as well as all vehicles that use an electrochemical energy store for the electrical energy supply.
  • the present invention also relates to a method for cooling a battery system by means of impingement cooling, comprising the steps:
  • FIG. 1 schematically shows the structure and operation of a
  • FIG. 2 shows schematically the construction and the mode of operation of a battery system according to the invention.
  • FIG. 1 the basic structure and operation of an impingement cooling system is shown schematically.
  • a fluid flow 2 is guided such that it exits through an outlet 3 from a distributor plate 4 and substantially perpendicular to the body meets, with the temperature exchange is to be accomplished, in this case the cooling plate 1.
  • Does the fluid stream 2 on the surface of the cooling plate. 1 a so-called “wall-jet” is generated and the fluid flow is deflected in the radial direction and guided over the surface of the cooling plate 1.
  • At around the center of the place of impact there is a transfer of heat energy with very high heat transfer rates.
  • FIG. 2 schematically illustrates the structure and mode of operation of an embodiment of a battery system according to the invention.
  • the battery system
  • the 10 includes a plurality of battery cells 1 1, preferably of lithium-ion cells, which may be combined in one or more modules and are arranged in a common housing 13.
  • battery cells 1 1 preferably of lithium-ion cells, which may be combined in one or more modules and are arranged in a common housing 13.
  • passive heat conducting 12 preferably 10 heat baffles, attached, conduct the heat energy of the battery cells 1 1 conductively along the direction of the closed arrow toward the cooling plate 14.
  • the cooling plate 14 is formed here as a bottom plate, but may also be positioned at other positions outside the housing or on the outer surface of the housing, provided there is a heat-conducting Verl s bond between the passive heat conducting means 12 and the cooling plate 14.
  • a distributor plate 15 which is designed as impingement cooling.
  • the distributor plate 15 is directly and directly contacted with the housing 13 facing away from the surface of the cooling plate 20. 14.
  • the distributor plate 15 is shown separated from the cooling plate 14 only to allow a schematic representation of the operation.
  • the distributor plate 15 has an inlet 16 and a plurality of outlets 17, wherein the outlets 17 are positioned on the surface of the distributor plate 15 facing the cooling plate 14.
  • the outlets 17 25 are preferably distributed uniformly over the surface of the distributor plate 15 facing the cooling plate 14 at regular intervals.
  • the resulting during operation of the battery system 10 in the battery cells 1 1 heat energy is first conductively transported via the passive heat conducting means 12 along the direction indicated by the closed arrow direction of the battery cells 1 1 30 toward the cooling plate 14 and thus led out of the housing 13.
  • the cooling plate 14 absorbs the heat energy from the battery cells 1 1 and gives them to an impingement cooling.
  • the impingement cooling is designed in the form of a distributor plate 15 and adjoins the cooling plate 14 directly on the side facing away from the housing 13. For cooling, a fluid flow into the distributor plate 15 can be introduced through the inlet 35 16, which then from the
  • Distributor plate exits through a plurality of outlets 17 such that the fluid flow is substantially perpendicular to a surface of the cooling plate 14 and receives there heat energy.
  • the flow direction of the fluid flow is illustrated by the open arrows.
  • Cooling plate 14 reached.
  • the fluid flow guide takes place exclusively outside the housing 13 of the battery system 10 and does not enter the interior of the battery system 10, so that it is not necessary to work up the fluid used consuming before it can be used for cooling.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriesystem mit Prallkühlung, umfassend: i) eine oder mehrere Batteriezellen; ii) mindestens ein Gehäuse in dem die Batteriezellen angeordnet sind; iii) eine Kühlplatte, die ausserhalb des Gehäuses angeordnet ist; und iv) ein oder mehrere passive Wärmeleitmittel, die derart angeordnet sind, dass über die passiven Wärmeleitmittel Wärmeenergie von den Batteriezellen an die Kühlplatte übertragbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriesystem eine Prallkühlung aufweist zur Übertragung von Wärmeenergie von der Kühlplatte auf einen Fluidstrom, wobei die Prallkühlung derart ausgestaltet ist, dass ein Fluidstrom zur Aufnahme von Wärmeenergie im Wesentlichen senkrecht auf eine Oberfläche der Kühlplatte führbar ist.

Description

Beschreibung
Titel
Batteriesvstem mit externer Prallkühlunq
Stand der Technik Um die Sicherheit, Funktion und Lebensdauer von Batteriesystemen, insbesondere von Lithium-Ionen Batteriesystemen, zu gewährleisten, ist es erforderlich die Zellen innerhalb eines vorgegebenen Temperaturbereichs zu betreiben. Während der Leistungsabgabe entsteht im Wesentlichen Joulsche Wärmeenergie, die durch den elektrischen Strom und den Widerstand der Zelle beschrieben werden kann. Um ein Aufheizen der Zelle über einen kritischen Temperaturschwellenwert hinaus zu vermeiden, muss diese Wärmeenergie effektiv abgeführt werden. Darüber hinaus muss die Temperaturverteilung über die Batteriezelle möglichst homogen sein, d.h. die Temperaturunterschiede sollten nicht mehr als 4 Kelvin betragen.
Eine Möglichkeit zur homogenen Temperaturregulation ist die Abfuhr von Wärmeenergie an einen Fluidstrom, i.d.R. einen Luftstrom. So ist beispielsweise in US 7,323,272 eine Anordnung beschrieben, die eine Umströmung einzelner Zellen eines Batteriesystems mit einem Luftstrom vorsieht. Ein Problem, welches mit einer solchen Anordnung verbunden ist, sind die hohen Anforderungen, die an die Luftaufbereitung gestellt werden müssen, damit keine störenden, die Lebensdauer oder Funktion des Batteriesystems beeinträchtigenden Partikel oder Flüssigkeiten in das Batteriesystem verbracht werden. Solche Trocknungs- und Filterschritte verbrauchen zusätzliche Energie und begrenzen den Kühlungseffekt. Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt ein Batteriesystem mit Prallkühlung zur Verfügung, umfassend:
i) eine oder mehrere Batteriezellen;
ii) mindestens ein Gehäuse in dem die Batteriezellen angeordnet sind;
iii) eine Kühlplatte, die ausserhalb des Gehäuses angeordnet ist; und iv) ein oder mehrere passive Wärmeleitmittel, die derart angeordnet sind, dass über die passiven Wärmeleitmittel Wärmeenergie von den Batteriezellen aus dem Gehäuseinneren heraus an die Kühlplatte übertragbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass
das Batteriesystem eine Prallkühlung aufweist zur konvektiven Übertragung von Wärmeenergie von der Kühlplatte auf einen Fluidstrom, wobei die Prallkühlung derart ausgestaltet ist, dass ein Fluidstrom zur Aufnahme von Wärmeenergie im Wesentlichen senkrecht auf eine Oberfläche der Kühlplatte führbar ist.
Die in den Zellen produzierte Wärmeenergie wird zunächst konduktiv über passive Wärmeleitmittel, wie beispielsweise Kühlbleche die mit einer oder mehreren Mantelflächen der Zellen kontaktiert sind, an eine Kühlplatte ausserhalb des Gehäuses geführt. Von dort wird die Wärmeenergie konvektiv auf einen Fluidstrom mittels Prallkühlung übertragen mit der sich örtlich sehr hohe Wärmeübergangskoeffizienten erzielen lassen. Unter Prallkühlung wird dabei eine Kühlvorrichtung verstanden, welche sich dadurch auszeichnet, dass ein Fluidstrom zur Aufnahme von Wärmeenergie im Wesentlichen senkrecht auf eine wärmeabgebende Oberfläche trifft und dort einen sogenannten„wall-jet" erzeugt, d.h. der Fluidstrom wird vom Aufprallort in radialer Weise über die Oberfläche des Aufprallkörpers geführt. Um das Zentrum des Aufprallortes lassen sich sehr hohe Wärmeübergangsraten erzielen, die mit größer werdendem radialen Abstand vom Zentrum des Aufpralls abnehmen. Das erfindungsgemäße Batteriesystem mit Prallkühlung erlaubt eine effiziente Temperaturregulation der Zellen des Batteriesystems mittels eines Fluidstroms, während eine Fluidstromführung innerhalb des Gehäuses nicht notwendig ist und somit Massnahmen zur Aufbereitung des Fluids nicht mehr erforderlich sind.
Das erfindungsgemäße Batteriesystem umfasst eine oder mehrere Batteriezellen. Unter dem Begriff„Batteriesystem" werden hier elektrochemische Energie- Speicher verstanden, insbesondere Batterien oder Akkumulatoren aller gebräuchlichen Akkumulatortechnologien. Es können Batterien oder Akkumulatoren vom Typ Pb - Bleiakku, NiCd - Nickel-Cadmium-Akku, NiH2 - Nickel-Wasserstoff- Akkumulator, NiMH - Nickel-Metallhydrid-Akkumulator, Li-Ion - Lithium-Ionen- 5 Akku, LiPo - Lithium-Polymer-Akku, LiFe - Lithium-Metall-Akku, Li-Mn - Lithium-
Mangan-Akku, LiFeP04 - Lithium-Eisen-Phosphat-Akkumulator, LiTi - Lithium- Titanat-Akku, RAM - Rechargeable Alkaline Manganese, Ni-Fe - Nickel-Eisen- Akku, Na/NiCI - Natrium-Nickelchlorid-Hochtemperaturbatterie, SCiB - Super Charge Ion Battery, Silber-Zink-Akku, Silikon-Akku, Vanadium-Redox- 10 Akkumulator und/oder Zink-Brom-Akku verwendet werden. Insbesondere können
Batterien vom Typ der Blei/Säure-, Nickel-Cadmium-, Nickel-Metallhydrid- und/oder Natrium/Natriumnickelchlorid-Batterie eingesetzt werden. Besonders bevorzugt werden Batterien vom Typ der Lithium-Ionen-Batterie verwendet. Der Begriff„Batteriesystem" wird dabei sowohl für einzelne Zellen, als auch für Modul s le aus mehreren Zellen, als auch für komplexere Architekturen umfassend mehrere Zellen und/oder Module verwendet.
Das Batteriesystem umfasst eine oder mehrere Batteriezellen, die in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind. Dabei kann ein Batteriesystem ein einzi-
20 ges oder mehrere einzelne Gehäuse umfassen, die jeweils eine oder mehrere
Batteriezellen umfassen. Bevorzugt weist das Batteriesystem ein gemeinsames Gehäuse auf, in dem alle Zellen oder Module des Batteriesystems angeordnet sind, wobei die Kühlplatte ausserhalb dieses gemeinsamen Gehäuses positioniert ist. Unter dem Begriff„Gehäuse" ist dabei eine Vorrichtung zu verstehen,
25 die einen Innenraum aufweist, der geeignet ist eine oder mehrere Batteriezellen aufzunehmen. Ein Gehäuse kann dabei in einer oder zwei Richtungen dauerhaft oder vorübergehend gegenüber der Umwelt offen sein. Bevorzugt grenzt das Gehäuse die enthaltenen Batteriezellen gegenüber der Umgebung nach allen Richtungen hin ab, wobei das Gehäuse verschließbare Zugänge, wie z.B. Türen
30 oder Deckel aufweisen kann. Unter einem Gehäuse kann nicht der unmittelbare
Zellmantel verstanden werden, der die elektrochemischen Bestandteile einer einzelnen Zelle von der Umwelt trennt. Bevorzugt kann das Gehäuse aus einem Material gefertigt sein, welches ein Metall, ein Metallblech oder eine Keramik umfasst oder daraus besteht. Besonders bevorzugt kann das Gehäuse aus einem
35 Material gefertigt sein, welches Aluminium aufweist oder daraus besteht. Das erfindungsgemäße Batteriesystem weist mindestens eine Kühlplatte auf, die ausserhalb des Gehäuses angeordnet ist. Das Batteriesystem kann mehrere ausserhalb des Gehäuses angeordnete Kühlplatten aufweisen. Eine, mehrere oder alle Kühlplatten des Batteriesystems können aussen an einer Oberfläche des Gehäuses angebracht sein. Bevorzugt sind eine, mehrere oder alle Kühlplatten des Batteriesystems auf einer Aussenseite des Gehäusebodens angebracht. Die Kühlplatten können integraler Bestandteil des Gehäuses sein, vorausgesetzt mindestens eine Oberfläche der Kühlplatten ist von ausserhalb des Gehäuses direkt zugänglich für die Zuführung eines Fluidstroms. Bevorzugt weist die Kühlplatte eine durchgehend solide ausgestaltete Oberfläche auf, die keinen direkten Durchläse in das Gehäuseinnere erlaubt. Die Kühlplatten des Batteriesystems sind aus einem Material gefertigt, dass eine Wärmeübergangszahl aufweist, die eine möglichst schnelle und effektive Übertragung von Wärmeenergie von der Kühlplatte auf das verwendete Fluid erlaubt. Entsprechende Materialien sind dem Fachmann bekannt. Bevorzugt weisen die Kühlplatten Aluminium auf oder bestehen daraus.
Das erfindungsgemäße Batteriesystem weist ein oder mehrere passive Wärmeleitmittel auf, die derart angeordnet sind, dass über die passiven Wärmeleitmittel Wärmeenergie konduktiv von den Batteriezellen an die Kühlplatte übertragbar ist. Dazu können die passiven Wärmeleitmittel möglichst grossflächig mit einer oder mehreren Oberflächen der Mantelfläche der Batteriezellen in Kontakt stehen, so dass ein möglichst schneller und effektiver Wärmeübertrag von den Batteriezellen auf die Wärmeleitmittel möglich ist. Die passiven Wärmeleitmittel sind dabei derart ausgeführt, dass ein effektiver Wärmeübertrag sowohl zwischen Zelle und Wärmeleitmittel als auch zwischen Wärmeleitmittel und Kühlplatte gewährleistet ist. Die passiven Wärmeleitmittel des Batteriesystems sind aus einem Material gefertigt, dass eine Wärmeübergangszahl aufweist, die eine möglichst schnelle und effektive Übertragung von Wärmeenergie von der Batteriezelle auf das Wärmeleitmittel und vom Wärmeleitmittel auf die verwendete Kühlplatte erlauben. Entsprechende Materialien sind dem Fachmann bekannt. Bevorzugt handelt es sich bei den passiven Wärmeleitmitteln um herkömmliche Wärmeleitbleche, besonders bevorzugt um Wärmeleitbleche, die Aluminium enthalten oder daraus bestehen. Das erfindungsgemäße Batteriesystem weist eine Prallkühlung auf zur konvekti- ven Übertragung von Wärmeenergie von der Kühlplatte auf ein vporbeiströmen- des Fluid, wobei die Prallkühlung derart ausgestaltet ist, dass ein Fluidstrom zur Aufnahme von Wärmeenergie im Wesentlichen senkrecht auf eine Oberfläche der Kühlplatte führbar ist. Dazu kann die Prallkühlung eine Verteilerplatte umfassen, die mindestens einen Einlass zur Aufnahme eines Fluidstroms aufweist und die auf der der Kühlplatte zugewandten Seite eine Mehrzahl an Auslässen/Düsen aufweist, wobei die Verteilerplatte derart ausgestaltet und angeordnet ist, dass ein Fluidstrom über den Einlass in die Verteilerplatte einleitbar ist und aus der Verteilerplatte durch die Mehrzahl an Auslässen derart wieder austritt, dass der
Fluidstrom im Wesentlichen senkrecht auf eine Oberfläche der Kühlplatte trifft. Um eine möglichst gleichmäßige Kühlleistung über die Oberfläche der Kühlplatte zu erlauben, ist es sinnvoll die Auslässe gleichmäßig über die der Kühlplatte zugewandte Oberfläche der Verteilerplatte zu verteilen. Die Ausgestaltung der Aus- lässe kann beliebig erfolgen, vorausgesetzt es ist sichergestellt, dass die Auslässe geeignet sind das verwendete Fluid aus der Verteilerplatte austreten zu lassen. Beispielhaft können die Auslässe rund, oval, dreieckig, viereckig, mehreckig, quadratisch und/oder schlitzförmig ausgestaltet sein, wobei die Auslässe einer Verteilerplatte einheitlich oder unterschiedlich gestaltet sein können. Die Aus- lassgeometrie und -anordnung auf der Verteilerplatte (z.B. Auslassdichte pro
Verteilerplattenfläche, Dimensionierung der Auslassöffnungen) können bedarfsgerecht variiert werden, um für jeden gewünschten Batterietyp oder für jede gewünschte Batteriekapazität eine geeignete Kühlung bereitzustellen. Der Fachmann kann ohne unzumutbaren Aufwand, allein durch Routineversuche geeigne- te Parameter für die Auslassgeometrie und -anordnung für ein bestimmtes, gegebenes Batteriesystem ermitteln. Die Verteilerplatte kann so angebracht sein, dass sie direkt und unmittelbar mit der Kühlplatte verbunden ist. Alternativ können auch noch weitere Vorrichtungen vorgesehen sein, die zwischen der Verteilerplatte und der Kühlplatte positioniert sind.
Die Prallkühlung des erfindungsgemäßen Batteriesystems kann ein Fluidverteil- system aufweisen, welches derart ausgebildet ist, dass an den jeweiligen Auslässen der Verteilerplatte ein Fluidstrom mit einer vorher festgelegten Strömungsgeschwindigkeit erzeugbar ist. Der Vorteil eines solchen Fluidverteil- Systems ist, dass damit an den jeweiligen Auslässen die gewünschte Menge an
Fluid pro Zeiteinheit bereitgestellt und ein entsprechender Fluidstrom aufrechter- halten werden kann. Bevorzugt ist das Fluidverteilsystem derart ausgebildet, dass an einer Mehrzahl und/oder allen Auslässen der Verteilerplatte ein Fluidstrom mit im Wesentlichen gleicher Strömungsgeschwindigkeit erzeugbar ist. Somit wird sichergestellt, dass die Kühlleistung über die der Kühlplatte zuge- wandten Oberfläche einheitlich und homogen ist. Ein solches Fluidverteilsystem kann beispielsweise als eine gesonderte Vorrichtung ausgebildet sein, die zwischen Verteilerplatte und Kühlplatte positioniert ist. Ein solches Fluidverteilsystem kann aber auch integraler Bestandteil einer Verteilerplatte sein. Beispi- lesweise kann ein Fluidverteilsystem eine Mehrzahl an Fluidstromführungen auf- weisen, die derart ausgebildet und zwischen Einlass und Auslässen der Verteilerplatte angeordnet sind, dass an einer Mehrzahl und/oder allen Auslässen der Verteilerplatte ein Fluidstrom mit im Wesentlichen gleicher Strömungsgeschwindigkeit erzeugbar ist. Dabei können die Fluidstromführungen für Auslässe, die relativ näher zum Einlass liegen z.B. länger gestaltet sein, als Fluidstromführungen für Auslässe, die relativ weiter entfernt zum Einlass liegen, so dass der Fluidstrom vom Einlass der Verteilerplatte im Wesentlichen die selbe Strecke zurückzulegen hat unabhängig davon durch welchen Auslass der Fluidstrom austritt. Bei der Ausführung eines solchen Fluidverteilsystems kann sich der Fachmann alternativ auch an bekannten sogenannten„Rail"-Systemen orientieren.
Bei dem Fluid, welches im erfindungsgemäßen Batteriesystem zur Kühlung als Fluidstrom zum Einsatz kommt, kann es sich grundsätzlich um jede Art von Fluid handeln, welches geeignet ist Wärmeenergie von der Kühlplatte aufzunehmen. Dabei kann es sich um ein flüssiges oder gasförmiges Fluid handeln. Bevorzugt handelt es sich um ein gasförmiges Fluid, insbesondere kann es sich um Luft beispielsweise Umgebungsluft des Batteriesystems handeln. Zur Erzeugung eines Fluidstromes kann es notwendig sein Mittel vorzusehen, die das Fluid unter einen vorher festgelegten, regel- und/oder steuerbaren Druck setzen und der Prallkühlung des erfindungsgemäßen Batteriesystems als Druckfluidstrom zufüh- ren. Bevorzugt wird dem erfindungsgemäßen Batteriesystem der Fluidstrom als
Druckluftstrom über den oder die Einlässe der Verteilerplatte(n) zugeführt.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf Kraftfahrzeuge, die ein erfindungsgemäßes Batteriesystem umfassen. Dabei sind unter dem Begriff„Kraft- fahrzeug" alle angetriebenen Fahrzeuge zu verstehen, die einen elektrochemischen Energiespeicher aufweisen, unabhängig davon welchen Antrieb diese Kraftfahrzeuge aufweisen. Insbesondere umfasst der Begriff„Kraftfahrzeug" HEV (elektrische Hybridfahrzeuge), PHEV (Plug-In-Hybridfahrzeuge), EV (Elektrofahr- zeuge), Brennstoffzellenfahrzeuge, sowie alle Fahrzeuge, die einen elektrochemischen Energiespeicher für die elektrische Energieversorgung einsetzen.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Kühlung eines Batteriesystems mittels Prallkühlung, umfassend die Schritte:
a) Abführen von Wärmeenergie einer, mehrerer oder aller Zellen, die in einem Gehäuse eines Batteriesystems angeordnet sind, an eine ausserhalb des Gehäuses angeordnete Kühlplatte;
b) Abführen von Wärmeenergie von der Kühlplatte an ein Fluid mittels eines ausserhalb des Gehäuses geführten Fluidstroms, wobei der Fluidstrom derart geführt wird, dass dieser im Wesentlichen senkrecht auf eine Oberfläche der Kühlplatte trifft.
Figuren:
FIG. 1 zeigt schematisch den Aufbau und die Funktionsweise einer
Prallkühlung.
FIG. 2 zeigt schematisch den Aufbau und die Funktionsweise eines erfindungsgemäßen Batteriesystems.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher verdeutlicht.
In FIG. 1 ist der grundsätzliche Aufbau und die Funktionsweise einer Prallkühlung schematisch dargestellt. Ein Fluidstrom 2 wird derart geführt, dass er durch einen Auslass 3 aus einer Verteilerplatte 4 austritt und im Wesentlichen senkrecht auf den Körper trifft, mit dem der Temperaturaustausch bewerkstelligt werden soll, vorliegend der Kühlplatte 1. Trifft der Fluidstrom 2 auf die Oberfläche der Kühlplatte 1 , so wird ein sog.„wall-jet" erzeugt und der Fluidstrom wird in radialer Richtung abgelenkt und über die Oberfläche der Kühlplatte 1 geführt. Da- bei findet um das Zentrum des Aufprallortes ein Übertrag von Wärmeenergie mit sehr hohen Wärmeübergangsraten statt.
In FIG. 2 ist der Aufbau und die Funktionsweise einer Ausführungsform eines er- 5 findungsgemäßen Batteriesystems schematisch dargestellt. Das Batteriesystem
10 umfasst dabei eine Mehrzahl an Batteriezellen 1 1 , bevorzugt an Lithium- Ionen-Zellen, die in einem oder mehreren Modulen zusammengefasst sein können und in einem gemeinsamen Gehäuse 13 angeordnet sind. An den Mantelflächen der Batteriezellen 1 1 sind passive Wärmeleitmittel 12, bevorzugt Wärme- 10 leitbleche, angebracht, die Wärmeenergie von den Batteriezellen 1 1 konduktiv entlang der Richtung des geschlossenen Pfeils hin zu der Kühlplatte 14 leiten. Die Kühlplatte 14 ist hier als Bodenplatte ausgebildet, kann aber auch an anderen Positionen ausserhalb des Gehäuses oder auf der Aussenoberfläche des Gehäuses positioniert sein, vorausgesetzt es besteht eine wärmeleitende Verl s bindung zwischen den passiven Wärmeleitmitteln 12 und der Kühlplatte 14. Auf der dem Gehäuse 13 abgewandten Seite der Kühlplatte 14 schließt sich eine Verteilerplatte 15 an, die als Prallkühlung ausgebildet ist. In der erfindungsgemäßen Ausführungsform gemäß FIG. 2 ist die Verteilerplatte 15 direkt und unmittelbar kontaktiert mit der dem Gehäuse 13 abgewandten Oberfläche der Kühlplatte 20 14. In FIG. 2 ist die Verteilerplatte 15 lediglich deshalb von der Kühlplatte 14 separiert dargestellt, um eine schematische Darstellung der Funktionsweise zu erlauben. Die Verteilerplatte 15 weist einen Einlass 16 und eine Mehrzahl von Auslässen 17 auf, wobei die Auslässe 17 auf der der Kühlplatte 14 zugewandten Oberfläche der Verteilerplatte 15 positioniert sind. Dabei sind die Auslässe 17 25 bevorzugt in regelmäßigen Abständen gleichmäßig über die der Kühlplatte 14 zugewandten Oberfläche der Verteilerplatte 15 verteilt.
Die bei Betrieb des Batteriesystems 10 in den Batteriezellen 1 1 entstehende Wärmeenergie wird zunächst über die passiven Wärmeleitmittel 12 entlang der durch den geschlossenen Pfeil angedeuteten Richtung von den Batteriezellen 1 1 30 hin zu der Kühlplatte 14 konduktiv transportiert und damit aus dem Gehäuse 13 herausgeleitet. Die Kühlplatte 14 nimmt die Wämreenergie aus den Batteriezellen 1 1 auf und gibt sie an eine Prallkühlung ab. Die Prallkühlung ist in Form einer Verteilerplatte 15 ausgebildet und schließt sich direkt auf der dem Gehäuse 13 abgewandten Seite an die Kühlplatte 14 an. Zur Kühlung kann durch den Einlass 35 16 ein Fluidstrom in die Verteilerplatte 15 eingeleitet werden, der dann aus der
Verteilerplatte über eine Mehrzahl von Auslässen 17 derart wieder austritt, dass der Fluidstrom im Wesentlichen senkrecht auf eine Oberfläche der Kühlplatte 14 trifft und dort Wärmeenergie aufnimmt. Die Flussrichtung des Fluidstroms ist durch die offenen Pfeile verdeutlicht. Dadurch, dass die Auslässe 17 gleichmäßig über die der Kühlplatte 14 zugewandten Oberfläche verteilt sind, wird eine gleichmäßige Kühlwirkung über einen größtmöglichen Teil der Oberfläche der
Kühlplatte 14 erreicht.
Bei der dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems erfolgt die Fluidstromführung ausschließlich ausserhalb des Gehäuses 13 des Batteriesystems 10 und gelangt nicht ins Innere des Batteriesystems 10, so das es nicht notwendig ist, das verwendete Fluid aufwändig aufzuarbeiten, bevor es zur Kühlung eingesetzt werden kann.

Claims

Ansprüche
1 . Batteriesystem mit Prallkühlung, umfassend
i) eine oder mehrere Batteriezellen;
ii) mindestens ein Gehäuse in dem die Batteriezellen angeordnet sind; iii) eine Kühlplatte, die ausserhalb des Gehäuses angeordnet ist; und iv) ein oder mehrere passive Wärmeleitmittel, die derart angeordnet sind, dass über die passiven Wärmeleitmittel Wärmeenergie von den Batteriezellen aus dem Gehäuseinneren heraus an die Kühlplatte übertragbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass
das Batteriesystem eine Prallkühlung aufweist zur Übertragung von Wärmeenergie von der Kühlplatte auf einen Fluidstrom, wobei die Prallkühlung derart ausgestaltet ist, dass ein Fluidstrom zur Aufnahme von Wärmeenergie im Wesentlichen senkrecht auf eine Oberfläche der Kühlplatte führbar ist.
2. Batteriesystem nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
das passive Wärmeleitmittel ein oder mehrere Wärmeleitbleche umfasst o- der daraus besteht.
3. Batteriesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Prallkühlung eine Verteilerplatte umfasst, die mindestens einen Einlass zur Aufnahme eines Fluidstroms aufweist und die auf der der Kühlplatte zugewandten Seite eine Mehrzahl an Auslässen aufweist, wobei die Verteilerplatte derart ausgestaltet und angeordnet ist, dass ein Fluidstrom über den Einlass in die Verteilerplatte einleitbar ist und aus der Verteilerplatte durch die Mehrzahl an Auslässen derart wieder austritt, dass der Fluidstrom im Wesentlichen senkrecht auf eine Oberfläche der Kühlplatte trifft.
4. Batteriesystem nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass die Auslässe der Verteilerplatte gleichmäßig über die der Kühlplatte zugewandten Oberfläche verteilt sind.
5. Batteriesystem nach einem der Ansprüche 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Prallkühlung ein Fluidverteilsystem aufweist, welches derart ausgebildet ist, dass an den jeweiligen Auslässen der Verteilerplatte ein Fluidstrom mit einer vorher festgelegten Strömungsgeschwindigkeit erzeugbar ist.
6. Batteriesystem nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Fluidverteilsystem derart ausgebildet ist, dass an einer Mehrzahl und/oder allen Auslässen der Verteilerplatte ein Fluidstrom mit im Wesentlichen gleicher Strömungsgeschwindigkeit erzeugbar ist.
7. Batteriesystem nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Fluidverteilsystem eine Mehrzahl an Fluidstromführungen aufweist, die derart ausgebildet und angeordnet sind, dass an einer Mehrzahl und/oder al- len Auslässen der Verteilerplatte ein Fluidstrom mit im Wesentlichen gleicher
Strömungsgeschwindigkeit erzeugbar ist.
8. Batteriesystem nach einem der Ansprüche 3 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Verteilerplatte direkt mit der Kühlplatte verbunden ist.
9. Kraftfahrzeug umfassend ein Batteriesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
10. Verfahren zur Kühlung eines Batteriesystems mittels Prallkühlung, umfassend die Schritte:
a) Abführen von Wärmeenergie einer, mehrerer oder aller Zellen, die in einem Gehäuse eines Batteriesystems angeordnet sind, an eine ausserhalb des Gehäuses angeordnete Kühlplatte;
b) Abführen von Wärmeenergie von der Kühlplatte an ein Fluid mittels eines ausserhalb des Gehäuses geführten Fluidstroms, wobei der Fluidstrom der- art geführt wird, dass dieser im Wesentlichen senkrecht auf eine Oberfläche der Kühlplatte trifft.
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