WO2013178577A1 - Kühlmittelverteilsystem - Google Patents
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Definitions
- heat is generated by Joule's heat, which can be described by the electrical current and internal resistance of the cell.
- heat is produced due to reversible processes in the cell. This heat must be dissipated to make the cell over a critical
- the regulation of the heat dissipation or the limitation of the heat to uncritical values takes place for example by means of a thermal management system.
- load cycles are usually used, with which the temperature rise can be predicted within the battery at known thermal boundary conditions.
- the cells in particular lithium ion cells or modules, are cooled down over the underside of the cell.
- a module assembly on fluid-flow plates which are acted upon depending on the degree of required cooling capacity with water / glycol mixtures or evaporating refrigerant. Due to space constraints, it is often necessary, the cell modules on several cooling plates within the
- these cooling plates are hydraulically adjusted according to their thermal load. With the help of manifold blocks, the coolant mass flow divided and fed by flexible hoses the individual cooling plates. The return is also routed for each cooling plate with hoses to a central collector and led out of the battery case.
- An advantage of the invention is to obtain a uniform temperature distribution at a moderate temperature level within a battery, a rechargeable battery or in general a charge accumulator, especially a lithium-ion battery. On the one hand, this is important for safety reasons, on the other hand it is possible to homogenize the cell characteristics, for example aging processes.
- a further advantage of the invention is that which is achieved by asymmetric cell arrangement in the battery, e.g. uneven loading of
- Housing edge area caused different temperatures to homogenize or prevent individual cells from entering a local area
- a device for distributing cooling agents for cooling consumers for example cooling plates or a coolant distribution system having the features of claim 1, which comprises a homogenization of such
- the local fluid mass flow is to be selected in an advantageous manner so that set coolant temperature increases of a maximum of 2 K.
- the coolant mass flow must be set individually for each consumer and the coolant system must or can be hydraulically tuned.
- the required coolant flow can be distributed to any number of cooling plates or other heat sinks, eg for optional electronic cooling, by means of a simple, central flow or return system.
- consumers can be directly integrated or coupled into the supply and return lines.
- a particular advantage of this distribution system is that a complex tubing between the consumer is eliminated and replaced by the manifolds.
- the basic structure of the coolant distribution system for example for a battery comprising several cells, can be seen from FIG. It comprises the non-flexible, rigid supply line 10, which is laid fixed in the housing 11 and is closed at its end. In predetermined predetermined distances Y-branches 12 are inserted into this line, with the help of short
- the cooling plates can serve to cool battery cells. If a Y-branch is not used, it is closed by a blanking plug 15.
- the coolant return is realized via the central manifold 16, to which the consumers are coupled by tubes 17. That way all consumers are connected in parallel and supplied with the same flow temperature.
- the adjustment of the amount of coolant required for the respective consumer takes place via the illustrated throttle elements 18, which are either integrated in the consumer 14 or are implemented by additional elements in the connecting pieces.
- each consumer 14 is assigned a throttle element 18.
- the control of the throttle elements 18 by means of an electronic control unit 20, the drive signals for the throttle elements 18 provides.
- the return line can be interrupted before exiting the housing 11, for example, a battery case and be bridged by an additional load 19.
- This additional consumer 19 would be connected in series with the other consumers 14 described above.
- Compared to lithium ion cells can be cooled with a higher temperature level.
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Abstract
Es wird eine Vorrichtung zur Verteilung von Kühlmitteln zur Kühlung von|Verbrauchern beschrieben, mit einer gemeinsamen Zulaufleitung (10) für die|Verbraucher (14) und einer gemeinsamen Rücklaufleitung (16), wobei die|gemeinsame Zulaufleitung (10) und die Rücklaufleitung (16) Abzweigungen (12)|aufweisen, die mit den Verbrauchern über Schlauchstücke oder Schläuche in|Verbindung stehen. Zwischen wenigstens einer Abzweigung (12) der gemeinsamen|Zulaufleitung (10) und wenigstens einem Verbraucher (14) ist ein ansteuerbares|Drosselelement (18) vorhanden. Durch geeignete Ansteuerung der Drosselelemente|können die Verbraucher (14) mit Kühlmittel mit gleichen Vorlauftemperaturen|versorgt werden. Die Verbraucher (14) dienen beispielsweise zur Kühlung von|Zellen von Batterien mit mehreren, beispielsweise Li-lonen-Zellen.|
Description
Beschreibung Titel
Kühlmittelverteilsystem Stand der Technik
Um die Sicherheit und Funktion von Lithium-Ionen Batteriepacks zu
gewährleisten, ist es erforderlich, die Zellen innerhalb eines vorgegebenen Temperaturbereichs zu betreiben. Während des Betriebs der Zellen entsteht Wärme beispielsweise Joulesche Wärme, die durch den elektrischen Strom und den inneren Widerstand der Zelle beschrieben werden kann. Ausserdem wird Wärme produziert aufgrund reversibler Vorgänge in der Zelle. Diese Wärme muss abgeführt werden, um ein Aufheizen der Zelle über eine kritische
Betriebstemperatur zu vermeiden.
Die Regelung der Wärmeabfuhr bzw. die Begrenzung der Wärme auf unkritische werte erfolgt beispielsweise mittels eines Thermomanagementsystems. Für die Auslegung eines Thermomanagementsystems werden in der Regel Lastzyklen herangezogen, mit denen der Temperaturanstieg innerhalb der Batterie bei bekannten thermischen Randbedingungen vorhergesagt werden kann.
In vielen technischen Anwendungen werden die Zellen, insbesondere Lithium Ionen Zellen bzw. Module über die Zellunterseite entwärmt. Dazu erfolgt beispielsweise eine Modulmontage auf fluiddurchströmten Platten, die abhängig vom Grad der geforderten Kühlleistung mit Wasser/Glykol Gemischen bzw. verdampfendem Kältemittel beaufschlagt werden. Bauraumbedingt ist es vielfach notwendig, die Zellmodule auf mehrere Kühlplatten innerhalb des
Batteriegehäuses zu verteilen. Für einen optimalen Betrieb der Batterie sind diese Kühlplatten hydraulisch entsprechend ihrer thermischen Belastung abzustimmen. Mit Hilfe von Verteilerblöcken wird der Kühlmittelmassenstrom
aufgeteilt und durch flexible Schlauchleitungen den einzelnen Kühlplatten zugeführt. Der Rücklauf wird ebenfalls für jede Kühlplatte mit Schläuchen zu einem zentralen Sammler geführt und aus dem Batteriegehäuse geleitet.
Aus der DE 103 38 654 AI ist ein Batteriepack mit mehreren in einem Gehäuse angeordneten Batteriezellen bekannt, bei dem im Innenraum des Gehäuses Durchführungen vorhanden sind, durch die zur Wärmeabfuhr ein
wärmeableitendes Medium strömt.
Vorteile der Erfindung
Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, eine gleichmäßige Temperaturverteilung auf moderatem Temperaturniveau innerhalb einer Batterie, eines Akkus oder generell eines Ladungsspeichers, speziell einer Lithium-Ionen Batterie zu erhalten. Dies ist einerseits aus Sicherheitsgründen wichtig, andererseits lässt sich so die Zellcharakteristik, beispielsweise Alterungsvorgänge homogenisieren.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, die durch asymmetrische Zellanordnung in der Batterie, z.B. ungleichmäßiges Bestücken von
kühlmitteldurchströmten Kühlplatten mit Zellen bzw. Anordnungen im
Gehäuserandbereich verursachten unterschiedlichen Temperaturen zu homogenisieren bzw. zu verhindern, dass einzelne Zellen lokal ein
unterschiedliches Temperaturprofil aufweisen können als andere. Erzielt werden diese Vorteile durch eine Vorrichtung zur Verteilung von Kühlmitteln zur Kühlung von Verbrauchern, beispielsweise Kühlplatten bzw. ein Kühlmittelverteilsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1, die eine Homogenisierung solcher
Temperaturabweichungen sicherstellen.
Entsprechend der thermischen Last, die in die einzelnen Kühlplatten
eingekoppelt wird, ist der lokale Fluidmassenstrom in vorteilhafter Weise so zu wählen, dass sich Kühlmitteltemperaturerhöhungen von maximal 2 K einstellen. Das bedeutet, dass der Kühlmittelmassenstrom für jeden Verbraucher individuell eingestellt und das Kühlmittelsystem hydraulisch abgestimmt werden muss bzw. kann.
Weitere Vorteile der Erfindung sind darin zu sehen, dass durch ein einfaches, zentrales Vor- bzw. Rücklaufsystem der benötigten Kühlmittelstrom auf eine beliebige Anzahl von Kühlplatten bzw. andere Wärmesenken, z.B. für optionale Elektronikkühlung verteilt werden kann. Je nach benötigtem Kühlmittelniveau lassen sich die Verbraucher in den Vor- bzw. Rücklauf direkt integrieren bzw. ankoppeln. Ein besonderer Vorteil dieses Verteilsystems ist, dass eine aufwändige Verschlauchung zwischen den Verbraucher entfällt und von den Sammelleitungen ersetzt wird.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, jeweils eine zentrale Vor- bzw.
Rücklaufleitung, an die beliebig viele Verbraucher parallel angeschlossen werden können, einzusetzen. Für den hydraulischen Abgleich lassen sich
Drosselelemente in die Anschlussleitungen integrieren. Nicht verwendete Anschlussstellen werden durch Blindstopfen verschlossen.
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit dem Aufbau eines
Kühlmittelverteilsystems zur direkten Ankopplung von Kühlplatten ist in Figur 1 dargestellt.
Offenbarung der Erfindung
Der prinzipielle Aufbau des Kühlmittelverteilsystems, beispielsweise für eine mehrere Zellen umfassende Batterie, ist aus Figur 1 zu erkennen. Es umfasst die nicht flexible, starre Zulaufleitung 10, die fix im Gehäuse 11 verlegt wird und an ihrem Ende geschlossen ist. In festzulegenden vorgebbaren Abständen sind in diese Leitung Y-Abzweigungen 12 eingelassen, an die mit Hilfe kurzer
Schlauchstücke 13 Verbraucher 14, also z.B. Kühlplatten, angeschlossen werden können. Die Kühlplatten können dabei zur Kühlung von Batteriezellen dienen. Wird eine Y-Abzweigung nicht verwendet, wird sie durch einen Blindstopfen 15 verschlossen.
Der Kühlmittelrücklauf wird über die zentrale Sammelleitung 16 realisiert, an die die Verbraucher durch Schläuche 17 gekoppelt werden. Auf diese Weise werden
alle Verbraucher parallel geschaltet und mit derselben Vorlauftemperatur beaufschlagt. Die Einregelung der für den jeweiligen Verbraucher benötigten Kühlmittelmenge erfolgt über die eingezeichneten Drosselelemente 18, die entweder im Verbraucher 14 integriert sind oder aber durch zusätzliche Elemente in den Verbindungsstücken umgesetzt werden. Es ist dabei beispielsweise jedem Verbraucher 14 ein Drosselelement 18 zugeordnet. Die Ansteuerung der Drosselelemente 18 erfolgt mittels einer elektronischen Steuereinheit 20, die Ansteuersignale für die Drosselelemente 18 bereitstellt.
Die Verwendung von kurzen, flexiblen Schlauchstücken bzw. Schläuchen 13, 17 zur Anbindung der Verbraucher 14 an das Kühlmittelverteilsystem ist sinnvoll, da so beispielsweise ebenfalls eine mechanische Entkopplung der Systeme garantiert werden kann.
Bei Bedarf kann die Rücklaufleitung vor dem Austritt aus dem Gehäuse 11, beispielsweise einem Batteriegehäuse unterbrochen werden und durch einen zusätzlichen Verbraucher 19 überbrückt werden. Dieser zusätzliche Verbraucher 19 wäre mit den anderen, vorstehend beschriebenen Verbrauchern 14 in Serie geschaltet. Sinnvoll ist so beispielsweise die Einbindung von thermischen Leistungen von elektronischen bzw. elektrischen Kühlaggregaten, die im
Vergleich zur Lithium Ionen Zellen mit einem höheren Temperaturniveau gekühlt werden können.
Claims
1. Vorrichtung zur Verteilung von Kühlmitteln zur Kühlung von Verbrauchern, , mit einer gemeinsamen Zulaufleitung für die Verbraucher und einer
gemeinsamen Rücklaufleitung, wobei die gemeinsame Zulaufleitung und die Rücklaufleitung Abzweigungen aufweisen, die mit den Verbrauchern über Schlauchstücke oder Schläuche in Verbindung stehen, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen wenigstens einer Abzweigung (12) der gemeinsame
Zulaufleitung (10) und einem Verbraucher (14) ein Drosselelement (18) vorhanden ist.
2. Vorrichtung zur Verteilung von Kühlmitteln nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abzweigungen (12) vorgebbare Abstände voneinander aufweisen.
3. Vorrichtung zur Verteilung von Kühlmitteln nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbraucher (14) parallel angeschlossen sind und eine vorgebbare Zahl von Verbrauchern (14) gewählt werden kann.
4. Vorrichtung zur Verteilung von Kühlmitteln nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Verbraucher (14) ein Drosselelement (18) zugeordnet ist.
5. Vorrichtung zur Verteilung von Kühlmitteln nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselelemente (18) Bestandteil der Verbraucher (14) sind oder in die Anschlussleitungen oder Schlauchstücke integriert sind.
6. Vorrichtung zur Verteilung von Kühlmitteln nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselelemente (18) mittels einer Steuereinrichtung (20) ansteuerbar sind.
7. Vorrichtung zur Verteilung von Kühlmitteln nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Rücklaufleitung 17 ein weiterer Verbraucher (19) angeordnet ist.
8. Vorrichtung zur Verteilung von Kühlmitteln nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nicht benötigte Abzweigungen (12) mittels eines Blindstopfens (15) verschlossen sind.
9. Vorrichtung zur Verteilung von Kühlmitteln nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselelemente (18) so angesteuert werden, dass alle Verbraucher (14) mit der selben Vorlauftemperatur des Kühlmittels beaufschlagt werden.
10. Vorrichtung zur Verteilung von Kühlmitteln nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbraucher (14) Kühlelemente, insbesondere Kühlplatten sind.
11. Vorrichtung zur Verteilung von Kühlmitteln nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrauche (14) Mittel zur
Kühlung von Batteriezellen insbesondere bei einer Batterie mit mehreren Zellen, insbesondere Lithium-Ionen-Zellen sind.
12. Vorrichtung zur Verteilung von Kühlmitteln nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung innerhalb eines Batteriegehäuses (11) angeordnet ist.
13. Vorrichtung zur Verteilung von Kühlmitteln nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zulaufleitung nicht flexibel und starr ist und.
14. Vorrichtung zur Verteilung von Kühlmitteln nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Zulaufleitung (10) im Gehäuse, insbesondere im Batteriegehäuse (11) fixiert ist und an ihrem Ende verschlossen ist.
15. Verfahren zur Verteilung von Kühlmitteln mit einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an die zentrale Vor- oder Rücklaufleitung beliebig viele Verbraucher anschließbar sind und für einen hydraulischen Abgleich Drosselelemente in die Anschlussleitungen integriert sind und nicht verwendete Anschlussstellen durch Blindstopfen verschlossen werden.
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