WO2014032850A1 - Batteriesystem - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a battery system comprising a battery with a plurality of battery cells and a temperature control unit for controlling the temperature of
  • Battery cells includes. Furthermore, the invention relates to a watercraft, a ship, an electric motor vehicle or a hybrid motor vehicle with the present
  • the heating of the battery cell must be avoided above an optimum operating temperature and the heat energy to be dissipated in order to prevent damage to the battery or a limitation of their life.
  • aqueous cooling media or water-containing refrigerant either a bottom plate is flowed through, which is thermally conductively connected, for example, via sheets with the cells, or the cooling medium is passed by means of cooling plates between the battery cells.
  • a cooling with air means a high technical effort, for example, for the treatment (dehumidification or filtering) of the cooling air or flow guidance through the housing to the cells.
  • a critical issue when using liquid coolant is the fullest possible filling of the cooling plates of the cooling circuit. As is generally known with heat sinks and radiators, accumulation of air or air bubbles can occur which locally extremely worsen the heat transfer. Likewise, contaminants or decomposition of the coolant can occur, for example, due to particles dissolving or reacting in a chemical reaction, for example, from the jacket of the cooling system, which is accompanied by a deterioration of the cooling effect.
  • a battery temperature system for use in a vehicle comprising an air separator which is designed such that it flows through the liquid flowing therethrough
  • Coolant receives and separates air bubbles from the liquid in the liquid coolant.
  • a battery system which comprises a battery having a multiplicity of battery cells, in particular lithium-ion battery cells, and a temperature control unit for controlling the temperature of the battery cells, which contains a coolant circuit that can be filled with a liquid coolant, and is characterized in that the Tempering unit has a sensor which is designed to detect a material nature of the coolant in the coolant circuit.
  • the invention is based on the finding that convection cooling at
  • Heat capacity of the coolant since the proportion of the thus modified, namely gaseous coolant, has a lower heat capacity than the liquid portion of the coolant. Analogous negative effects can occur if the coolant becomes contaminated or decomposes.
  • the material nature of the coolant to be monitored according to the invention relates to the physical state (liquid / gaseous) or the material composition of the coolant (purity of the coolant, degree of decomposition of the coolant).
  • the sensor of the battery system is an electrical conductivity sensor.
  • the electrical conductivity in the corresponding volume element of the coolant changes. This changed electrical conductivity is detected by the electrical conductivity sensor.
  • a change in electrical conductivity is not limited to the transition from liquid to gas, but also, for example, in the penetration of salt water in a cooling system of a battery system for a ship.
  • an electrically sensitive surface of the electrical conductivity sensor of the battery system is formed with lotus effect.
  • the interface of the sensor in contact with the coolant is thus designed such that the adhesion force of the cooling liquid in contact with the interface of the sensor is as small as possible and thus does not adhere to the interface of the sensor. An unwanted electrical bridge, without the sensor immersed in the liquid of the coolant is thereby avoided.
  • the senor of the battery system is an ultrasonic sensor.
  • ultrasound By means of ultrasound, a detection of areas of inhomogeneity of the coolant is possible.
  • the penetration of, for example, salt water can be detected in ships in the cooling circuit.
  • the sensor does not have to come into direct contact with the coolant, causing leaks in the area of the coolant Sensors can be excluded.
  • the senor of the battery system is an optical sensor.
  • Measured variables for detecting a change in the coolant in the aforementioned sense are, for example, the refractive index and the absorption and emission behavior.
  • the temperature control unit of the battery system comprises at least one recess projecting into a wall region enclosing the coolant, and the recess of the wall region is formed, a collection point for
  • Gas bubbles are preferably formed at relatively low-flow and local peaks in the cooling circuit. By forming recesses in the jacket region of the cooling circuit in areas of local peaks, targeted areas of preferred gas concentration are created. So if gas exists, then most likely in the specified areas.
  • the advantage is that a sensor for gas detection is placed in areas of preferential evolution of gas and thus the probability of detection in the case of
  • Gas generation is as large as possible and the amount of sensors to be installed can be kept as small as possible in terms of saving on manufacturing and material costs.
  • the temperature control unit of the battery system preferably has cooling plates and the sensor is arranged on at least one of the cooling plates or integrated into the cooling plate.
  • Another aspect of the invention is to provide an electric or hybrid motor vehicle and a watercraft or ship with the
  • FIG. 1 shows a battery of several cells and cooling plates
  • Figure 2 shows a section through a cooling plate with sensor in the area
  • FIG 3 shows a section through a cooling plate with sensor in the edge region.
  • FIG. 1 schematically shows a battery 10 for a vehicle having a stack arrangement of a plurality of cells 12 -in this case lithium-ion battery cells-and cooling plates 22.
  • the cooling plates 22 are usually made
  • Shaped or flat tubes shaped and have a cavity / lines through which a liquid coolant can flow, as well as connection points for the
  • Coolant The cooling plates 22 are present in fluid contact with each other.
  • the tempering unit 20 in turn is in communication with the cooling plates 22 and forms a coolant circuit 24.
  • Lithium-ion battery cells 12 are to be maintained, for example, in a temperature range between 30 ° C and a maximum of 40 ° C. At standstill, 45 ° C is also permissible.
  • Conductivity sensor is integrated into a wall of one of the cooling plates 22, that is, its sensor surface is located in the coolant circuit 24.
  • the sensor 30 is provided with a
  • Battery management system 40 connected in which an evaluation of the measurement signal is carried out in the usual way.
  • FIG. 2 shows a schematic sectional view of a cooling plate 22 surrounding the coolant 24, the flow direction of the coolant 24 extending through the cooling plate 22 orthogonal to the illustrated sectional area.
  • the upper portion of the cooling plate 22 has a convex circular-section-like recess 28 in the region of the cooling plate 22, which is suitable to collect high rising parasitic gas to be detected by means of sensor 30 can.
  • Such a gas collection point is preferably arranged in a region of comparatively weakly flowed through by coolant 24, so that a gas concentration is not prevented by flow. Simulations help identify such collection points, also referred to as dead zones, in which the flow is rather low.
  • the cooling plate 22 includes a gas outlet.
  • the outlet is preferably in the vicinity of the recess 28 with sensor 30, since optionally also at the outlet a gas concentration should take place and no mixing of the gas with the liquid.
  • a gas concentration should take place and no mixing of the gas with the liquid.
  • At low level or poor filling or gas formation accumulates preferably in the region of the outlet and the sensor, an air bubble.
  • the sensor 30 detects this bubble, for example by means of electrical resistance measurement (gas electrically non-conductive, coolant liquid conductive). So that no liquid adheres to the sensor 30, the surface thereof becomes designed with lotus effect.
  • Figure 3 shows a schematic sectional view of an alternative to the embodiment in Figure 2, with recesses 28, 32 and sensor 30.
  • some cooling geometries can be dispensed with a separate recess, since in the corners already forms a corresponding zone, which is only slightly flowed through and in which gas preferably accumulates.

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Abstract

Es wird ein Batteriesystem beschrieben, welches eine Batterie (10) mit einer Vielzahl von Batteriezellen (12) und eine Temperiereinheit (20) zur Temperierung der Batteriezellen (12), die einen mit einem flüssigen Kühlmittel befüllbaren Kühlmittelkreislauf (24) beinhaltet, umfasst und dadurch gekennzeichnet ist, dass die Temperiereinheit (20) einen Sensor (30) aufweist, der ausgelegt ist, eine stoffliche Beschaffenheit des Kühlmittels im Kühlmittelkreislauf (24) zu erfassen. Ferner wird ein Elektro- oder Hybridkraftfahrzeug und ein Wasserfahrzeug oder Schiff mit dem erfindungsgemäßen Batteriesystem vorgeschlagen.

Description

Beschreibung
Titel
Batteriesvstem
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriesystem, welches eine Batterie mit einer Vielzahl von Batteriezellen und eine Temperiereinheit zur Temperierung der
Batteriezellen umfasst. Ferner betrifft die Erfindung ein Wasserfahrzeug, ein Schiff, ein Elektro-Kraftfahrzeug oder ein Hybrid-Kraftfahrzeug mit dem vorliegenden
Batteriesystem.
Stand der Technik
Um die Sicherheit von Sekundärbatterien, wie insbesondere Lithium-Ionen-Batterien, zu gewährleisten, und um deren Performance und Lebensdauer zu optimieren, ist es erforderlich, die Batterie innerhalb eines definierten und für den Betrieb
beziehungsweise die Lagerung optimalen Temperaturbereichs zu betreiben.
Insbesondere bei hoher Leistungsaufnahme beziehungsweise Leistungsabgabe muss das Aufheizen der Batteriezelle oberhalb einer optimalen Betriebstemperatur vermieden und die Wärmeenergie abgeführt werden, um eine Schädigung der Batterie oder eine Einschränkung deren Lebensdauer zu vermeiden.
Für die Kühlung der Batteriemodule werden üblicherweise fluide Mittel wie
beispielsweise Luft, Wasser/Glykol-Gemenge oder Kältemittel (wie zum Beispiel R1234yf) als Medien eingesetzt, welche die Wärmeenergie aufnehmen und mittels Konvektion aus den Zellen abführen. Beim Einsatz von wässrigen Kühlmedien oder wasserhaltigem Kältemittel wird entweder eine Bodenplatte durchströmt, welche beispielsweise über Bleche gut leitend mit den Zellen thermisch verbunden ist, oder das Kühlmedium wird mittels Kühlplatten zwischen den Batteriezellen hindurchgeleitet.
Eine Kühlung mit Luft bedeutet einen hohen technischen Aufwand, beispielsweise zur Aufbereitung (Entfeuchtung oder Filterung) der Kühlluft oder zur Strömungsführung durch das Gehäuse zu den Zellen.
Ein kritischer Punkt bei Verwendung flüssiger Kühlmittel ist die möglichst vollständige Füllung der Kühlplatten des Kühlkreislaufs. Wie bei Kühlkörpern und Heizkörpern allgemein bekannt, kann es zur Ansammlung von Luft beziehungsweise Luftblasen kommen, welche den Wärmeübergang lokal extrem verschlechtern. Ebenso kann es durch beispielsweise in Lösung gehende oder in chemische Reaktion tretende Teilchen aus der Ummantelung des Kühlsystems zu Verunreinigungen oder Zersetzungen des Kühlmittels kommen, was mit einer Verschlechterung der Kühlwirkung einhergeht.
Aus der DE 10 2009 019 944 A1 ist ein Batterietemperatursystem zur Verwendung in einem Fahrzeug bekannt, wobei das System einen Luftabscheider umfasst, der so ausgestaltet ist, dass er die dort hindurch verlaufende Strömung des flüssigen
Kühlmittels empfängt und Luftblasen aus der Flüssigkeit in dem flüssigen Kühlmittel abscheidet.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Batteriesystem zur Verfügung gestellt, welches eine Batterie mit einer Vielzahl von Batteriezellen, insbesondere Lithium-Ionen-Batteriezellen, und eine Temperiereinheit zur Temperierung der Batteriezellen, die einen mit einem flüssigen Kühlmittel befüllbaren Kühlmittelkreislauf beinhaltet, umfasst und dadurch gekennzeichnet ist, dass die Temperiereinheit einen Sensor aufweist, der ausgelegt ist, eine stoffliche Beschaffenheit des Kühlmittels im Kühlmittelkreislauf zu erfassen.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass Konvektionskühlung bei
angenommen vergleichsweise konstantem Kühlkreislaufvolumen und angenommen vergleichsweise konstantem Kühlmittelumlaufvolumen desto besser Abwärme transportieren kann, je größer die Wärmekapazität des Kühlmittels ist. Gast ein flüssiges Kühlmittel aus, bilden sich also Gasblasen, dann verringert sich die
Wärmekapazität des Kühlmittels, da der Anteil des somit veränderten, nämlich gasförmigen Kühlmittels, eine niedrigere Wärmekapazität besitzt als der flüssige Anteil des Kühlmittels. Analoge negative Effekte können sich einstellen, wenn das Kühlmittel verunreinigt wird oder sich zersetzt.
Vorteil ist die erfindungsgemäße Möglichkeit, Gas detektieren zu können. Denn infolge der Eigenschaft von Gas, Wärme wenig gut mittels Konvektion ableiten zu können, da Gas eine geringere Wärmespeicherfähigkeit pro Volumen besitzt im Vergleich zu Flüssigkeiten, ist ein Detektieren von Gas möglich und wichtig, um den regulären Wärmeabtransport sicherzustellen. In gleicher weise lassen sich stoffliche
Veränderungen des Kühlmittels, wie Verunreinigungen und Zersetzungen detektieren.
Die erfindungsgemäß zu überwachende stoffliche Beschaffenheit des Kühlmittels bezieht sich dabei auf den Aggregatzustand (flüssig/gasförmig) oder die stoffliche Zusammensetzung des Kühlmittels (Reinheit des Kühlmittels, Zersetzungsgrad des Kühlmittels).
Vorzugsweise ist der Sensor des Batteriesystems ein elektrischer Leitfähigkeitssensor. In Bereichen des Kühlmittels, wo sich Gas sammelt, beispielsweise Gasblasen bilden, ändert sich die elektrische Leitfähigkeit im entsprechenden Volumenelement des Kühlmittels. Diese veränderte elektrische Leitfähigkeit detektiert der elektrische Leitfähigkeitssensor. Vorteil ist, dass durch Detektion von Gas eine Warnmeldung ausgegeben werden kann und geeignete Schritte zur Abhilfe unternommen werden können oder gegebenenfalls die Batterie ohne Last geschaltet werden kann. Eine Änderung der elektrischen Leitfähigkeit ist nicht auf den Übergang von Flüssigkeit auf Gas beschränkt, sondern beispielsweise auch beim Eindringen von Salzwasser in ein Kühlsystem eines Batteriesystems für ein Schiff.
In einer besonderen Ausführungsform ist eine elektrisch sensitive Oberfläche des elektrischen Leitfähigkeitssensors des Batteriesystems mit Lotuseffekt ausgebildet. Die Grenzfläche des Sensors in Berührung zum Kühlmittel ist demnach derart gestaltet, dass die Adhäsionskraft der Kühlflüssigkeit im Kontakt zur Grenzfläche des Sensors möglichst klein ist und somit nicht von selbst an der Grenzfläche des Sensors haften bleibt. Eine ungewollte elektrische Brücke, ohne dass der Sensor in die Flüssigkeit des Kühlmittels eintaucht, wird dabei vermieden.
Ferner ist bevorzugt, wenn der Sensor des Batteriesystems ein Ultraschall-Sensor ist. Mittels Ultraschall ist eine Detektion von Bereichen der Inhomogenität des Kühlmittels möglich. Somit kann auch bei Schiffen das Eindringen von beispielsweise Salzwasser in den Kühlkreislauf detektiert werden. Mit Hilfe eines Ultraschalls können auch schon sehr kleine Bläschen im Durchfluss detektiert werden. Der Sensor muss dabei nicht direkt mit dem Kühlmittel in Berührung kommen, so dass Leckagen im Bereich des Sensors ausgeschlossen werden können.
Weiterhin ist bevorzugt, wenn der Sensor des Batteriesystems ein optischer Sensor ist. Messgrößen für die Erfassung einer Veränderung des Kühlmittels im vorgenannten Sinn sind beispielsweise die Brechzahl und das Absorptions- und Emissionsverhalten.
Auch ist es möglich, dass die Temperiereinheit des Batteriesystems mindestens eine in einen das Kühlmittel ummantelnden Wandbereich hineinragende Aussparung umfasst, und die Aussparung des Wandbereichs ausgebildet ist, eine Sammelstelle für
Gasblasen zu sein. Gasblasen bilden sich bevorzugt an relativ strömungsarmen und lokalen Höchstpunkten im Kühlkreislauf. Durch die Ausbildung von Aussparungen im Mantelbereich des Kühlkreislaufs in Bereichen von lokalen Höchstpunkten werden gezielt Bereiche bevorzugter Gaskonzentration geschaffen. Wenn also Gas existiert, dann mit größter Wahrscheinlichkeit in den angegebenen Bereichen. Vorteil ist, dass ein Sensor zur Gasdetektion in Bereichen des bevorzugten Entstehens von Gas angeordnet wird und somit die Wahrscheinlichkeit von Detektion im Falle von
Gasentstehung möglichst groß ist und auch die Menge an zu verbauenden Sensoren möglichst klein gehalten werden kann im Sinne der Ersparnis von Herstellungs- und Materialkosten.
Die Temperiereinheit des Batteriesystems weist vorzugsweise Kühlplatten auf und der Sensor ist an zumindest einer der Kühlplatten angeordnet oder in die Kühlplatte integriert. Vorteil ist die einfachere Herstellung und das einfachere Austauschen des Sensors im Servicefall, da sich die Kühlplatten in der Regel einzeln ausbauen lassen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung liegt in der Bereitstellung eines Elektro- oder Hybridkraftfahrzeugs und eines Wasserfahrzeugs oder Schiffs mit dem
erfindungsgemäßen Batteriesystem.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine Batterie aus mehreren Zellen und Kühlplatten, Figur 2 einen Schnitt durch eine Kühlplatte mit Sensor im Flächenbereich, und
Figur 3 einen Schnitt durch eine Kühlplatte mit Sensor im Randbereich.
In der Figur 1 ist in schematischer Darstellung eine Batterie 10 für ein Fahrzeug mit einer Stapelanordnung aus mehreren Zellen 12 - hier Lithium-Ionen-Batteriezellen - und Kühlplatten 22 gezeigt. Die Kühlplatten 22 werden üblicherweise aus
Schichtblechen oder Flachrohren geformt und weisen einen Hohlraum/Leitungen auf, durch den ein flüssiges Kühlmittel fließen kann, sowie Anschlussstellen für das
Kühlmittel. Die Kühlplatten 22 stehen vorliegend untereinander im fluiden Kontakt. Die Temperiereinheit 20 wiederum steht in Verbindung mit den Kühlplatten 22 und bildet einen Kühlmittelkreislauf 24 aus. Lithium-Ionen-Batteriezellen 12 sollen beispielsweise in einem Temperaturbereich zwischen 30 °C und maximal 40 °C gehalten werden. Im Stillstand sind auch 45 °C zulässig. Ein Sensor 30, zum Beispiel ein
Leitfähigkeitssensor, ist in eine Wandung einer der Kühlplatten 22 integriert, das heißt, seine Sensorfläche liegt im Kühlmittelkreislauf 24. Der Sensor 30 ist mit einem
Batteriemanagementsystem 40 verbunden, in dem eine Auswertung des Messsignals in üblicher weise erfolgt.
Figur 2 zeigt in schematischer Schnittdarstellung eine das Kühlmittel 24 ummantelnde Kühlplatte 22, wobei die Fließrichtung des Kühlmittels 24 orthogonal zur dargestellten Schnittfläche durch die Kühlplatte 22 verläuft. Der obere Bereich der Kühlplatte 22 weist eine konvexe kreisschnittartige Aussparung 28 im Bereich der Kühlplatte 22 auf, welche geeignet ist, hoch steigendes parasitäres Gas zu sammeln, um mittels Sensor 30 detektiert werden zu können. Eine solche Gas-Sammelstelle ist vorzugsweise in einem von Kühlmittel 24 vergleichsweise schwach durchströmten Bereich angeordnet, damit eine Gaskonzentration nicht durch Strömung verhindert wird. Simulationen helfen bei der Ermittlung solcher Sammelstellen, auch als Totzonen bezeichnet, in denen die Durchströmung eher gering ist. Die Kühlplatte 22 enthält einen Gas-Auslass. Der Auslass ist vorzugsweise in der Nähe der Aussparung 28 mit Sensor 30, da gegebenenfalls auch beim Auslass eine Gas-Konzentration stattfinden soll und keine Durchmischung des Gases mit der Flüssigkeit. Bei niedrigem Füllstand oder schlechter Befüllung oder Gasbildung sammelt sich bevorzugt im Bereich des Auslasses und des Sensors eine Luftblase. Der Sensor 30 detektiert diese Luftblase beispielsweise mittels elektrischer Widerstandsmessung (Gas elektrisch nicht leitfähig, Kühlflüssigkeit leitfähig). Damit keine Flüssigkeit an dem Sensor 30 anhaftet, wird dessen Oberfläche mit Lotuseffekt ausgebildet.
Figur 3 zeigt in schematischer Schnittdarstellung eine Alternative zur Ausführung in Figur 2, mit Aussparungen 28, 32 und Sensor 30. Bei einigen Kühlgeometrien kann auf eine separate Aussparung verzichtet werden, da sich in den Ecken schon eine entsprechende Zone bildet, die nur schwach durchströmt wird und in der sich bevorzugt Gas ansammelt.

Claims

Ansprüche
Batteriesystem, umfassend
(i) eine Batterie (10) mit einer Vielzahl von Batteriezellen (12); und
(ii) eine Temperiereinheit (20) zur Temperierung der Batteriezellen (12), die einen mit einem flüssigen Kühlmittel befüllbaren Kühlmittelkreislauf (24) beinhaltet,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Temperiereinheit (20) einen Sensor (30) aufweist, der ausgelegt ist, eine stoffliche Beschaffenheit des Kühlmittels im Kühlmittelkreislauf (24) zu erfassen.
Batteriesystem nach Anspruch 1 , wobei
der Sensor (30) ein elektrischer Leitfähigkeitssensor ist.
Batteriesystem nach Anspruch 1 , wobei
der Sensor (30) ein Ultraschall-Sensor ist.
Batteriesystem nach Anspruch 1 , wobei
der Sensor (30) ein elektro-optischer Sensor ist.
Batteriesystem nach Anspruch 2, wobei
die elektrisch sensitive Oberfläche des elektrischen Leitfähigkeitssensors (30) mit Lotuseffekt ausgebildet ist.
Batteriesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
die Temperiereinheit (20) mindestens eine in einen das Kühlmittel (24) ummantelnden Wandbereich hinein ragende Aussparung (28) umfasst, und die Aussparung (28) ausgebildet ist, eine Sammelstelle für Gasblasen zu sein.
Batteriesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
die Temperiereinheit (20) Kühlplatten (22) aufweist und der Sensor (30) an zumindest einer der Kühlplatten (22) angeordnet ist oder der Sensor (30) in die Kühlplatte (22) integriert ist.
8. Batteriesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
die Batteriezellen (12) Lithium-Ionen-Batteriezellen sind.
9. Elektro- oder Hybridkraftfahrzeug mit einem Batteriesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
10. Wasserfahrzeug oder Schiff mit einem Batteriesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
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