WO2020043396A1 - Batteriesystem mit lüftern im batteriezellenhalter und verfahren zur homogenen temperaturverteilung innerhalb des batteriesystems - Google Patents

Batteriesystem mit lüftern im batteriezellenhalter und verfahren zur homogenen temperaturverteilung innerhalb des batteriesystems Download PDF

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WO2020043396A1
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fan
battery cell
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cells
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PCT/EP2019/069791
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Enno Lorenz
Thorsten Droigk
Tim DETTLING
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Robert Bosch Gmbh
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    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/61—Types of temperature control
    • H01M10/617—Types of temperature control for achieving uniformity or desired distribution of temperature
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    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the invention relates to a battery system with fans within one
  • Battery cell holder and a method for homogeneous temperature distribution within the battery system.
  • Batteries for mobile applications usually include a large number of battery cells. These battery cells are limited in terms of voltage and permissible currents. In order to achieve the total voltage and total capacity of the battery required for a given application, the individual battery cells are connected in a certain way. A serial connection increases the required total voltage and a parallel connection increases the required total capacity as well as the permissible total currents.
  • each individual battery cell has a certain power loss. This power loss is in the form of waste heat in the interior of the
  • the individual battery cells can only be operated safely up to a certain temperature. Neither for the loading process nor for the
  • the individual battery cells may therefore discharge this particular temperature in order to ensure the safety of the battery. If the certain temperature is reached by a battery cell during the discharge process, the discharge current of the battery is throttled. If the battery is in charging mode, the charging process is only started if the current temperature of the battery cells is below the specified temperature.
  • the battery management system throttles the performance of the entire battery as soon as a battery cell is in the critical temperature range.
  • the disadvantage here is that the battery power is reduced early.
  • the operating temperature also plays an important role in the life of a battery cell.
  • the aging of a battery cell occurs at high
  • the document US 2013149583 A1 discloses a battery system with a plurality of electrical cells, a battery housing and a fan.
  • a region of the battery housing, which is arranged below the battery cells, comprises an inlet opening for air.
  • the side walls and an area of the battery housing above the battery cells have outlet openings for the air.
  • Air outlet openings must be inserted into the battery case. Another disadvantage is that the battery case will leak.
  • the object of the invention is to overcome these disadvantages.
  • a battery system comprises a battery housing with a base body, a first cover element and a second cover element. The first
  • Cover element closes a first open end face of the base body and the second cover element closes a second open end face of the
  • the battery housing is hermetically sealed from the environment.
  • the battery system includes one
  • Battery cell holder having battery cell receiving spaces for a plurality of battery cells, the battery cell holder having the plurality of
  • the battery housing is arranged.
  • the battery system includes one
  • the battery cell holder has at least one first fan receiving space with a first fan and at least one second fan receiving space with a second fan, the first fan and the second fan having different flow directions.
  • the first fan and the second fan are dependent on one
  • Temperature redistribution takes place within the closed battery housing by a circulating air movement in the battery or the
  • the advantage here is that the waste heat generated by the operation of the battery cells is homogeneously redistributed within the battery and the homogeneously distributed heat is released to the environment through the surface of the housing, so that the individual battery cells age evenly and the battery power is only throttled after a longer operating time .
  • an improved temperature distribution or rapid cooling of the battery leads to the battery quickly entering a charge-capable state.
  • Battery cell holder are arranged.
  • the first fan is close to the first
  • Cover element and the second fan arranged in the vicinity of the second cover element.
  • the air circulation within the battery housing takes place from the front cover area, which has a high temperature, to the rear area of the battery housing, which has cooler temperatures, and as a result, the hot air is redistributed from front to back inside the battery housing. This means that the warm air can circulate well within the battery housing.
  • the first fan and the second fan are each an axial fan.
  • the battery cell receiving spaces and the at least one first fan receiving space and the at least one second fan receiving space have the same dimensions.
  • the advantage here is that the battery cell holder for the fans does not have to be changed.
  • the second cover element has at least one further fan.
  • the at least one further fan is arranged on the second cover element within the battery housing. The advantage here is that the at least one additional fan is limited only by the size of the second cover element. Large volume flows can therefore be generated.
  • the base body is a continuous cast element.
  • the battery housing is manufactured in a simple and inexpensive manner.
  • the battery housing comprises metal
  • Battery housing quickly through the thermally conductive surface of the body to the outside, d. H. outside the battery housing, can be dissipated.
  • the method according to the invention for homogeneous temperature distribution within a battery system having a battery housing, a battery cell holder with battery cell receiving spaces for a plurality of battery cells and a battery management system which is set up to monitor the plurality of battery cells and to record temperatures of the individual battery cells, and the like
  • Battery cell holder has at least one first fan receiving space with a first fan and at least one second fan receiving space with a second fan, that the first fan and the second fan in dependence on a
  • Threshold exceeding of the temperature of the individual battery cells can be controlled by the battery management system.
  • the use of the battery system according to the invention takes place in an electric vehicle, in particular an electrically operated two-wheeler.
  • vehicle according to the invention in particular an electrically operated two-wheeler, has the battery system according to the invention.
  • Figure 1 is a plan view of a temperature distribution
  • Figure 2 shows a first embodiment of a battery system
  • Figure 3 shows a second embodiment of a battery system with six
  • Figure 4 shows a method for homogeneous temperature distribution within a battery system with at least two fans.
  • FIG. 1 shows a top view of an exemplary temperature distribution of a 48 V battery system 100 with a plurality of battery cells 105.
  • the battery system comprises thirteen rows of fifteen battery cells 105 each connected in parallel, which form a battery cell group.
  • Each battery cell 105 supplies a voltage of approximately 3.6 V, so that the battery can supply a total voltage of 48 V. Due to the dense arrangement of the battery cells 105, different results result from the waste heat emitted by the individual battery cells during operation of the battery system 100
  • Temperature ranges within the battery housing not shown in Figure 1. Exemplary in FIG. 1 are first temperature ranges 120 and a second
  • Temperature range 121 a third temperature range 122 and fourth
  • the first temperature ranges 120 have a lower temperature than the second temperature range 121 and the third temperature range 122.
  • the fourth temperature ranges 123 are the coldest. The reason for this is that the battery cells 105, which are arranged at the edge of the battery cell assembly, transfer the waste heat faster to the
  • Battery housings can deliver than the battery cells 105, which are arranged inside the battery cell assembly.
  • the battery management system 109 additionally functions as a heat source.
  • FIG. 2 shows a battery system 200 with a battery housing, which has a base body 201, a first cover element 202 and a second cover element
  • the first cover element 202 closes a first open one
  • Front side of the base body 201 and includes one not shown here
  • the second cover element 203 closes a second open end face of the base body 201.
  • the battery housing thus forms a closed space which serves as a receiving space for a battery cell holder
  • the battery housing is thus sealed from the environment or sealed airtight.
  • the battery cell holder 204 does not completely fill the receiving space of the battery housing. This means that the battery housing and the battery cell holder 204 are spaced apart from one another parallel to the end faces. In other words, they are located above and below the one housed in the battery housing
  • Battery cell holder empty gaps or voids.
  • Battery cell holder 204 has battery cell accommodation spaces for a multiplicity of battery cells 205, a multiplicity of battery cells 205 in FIGS
  • Battery cell receiving rooms are arranged.
  • the battery cell holder 204 has at least one first fan receiving space for first fans 206 and at least one second fan receiving space for second fans 207.
  • the first fan 206 is arranged inside the first fan receiving space and the second fan 207 is arranged inside the second fan receiving space.
  • the first fan 206 and the second fan 207 are, for example, axial fans.
  • the first fan 206 and the second fan 207 have different ones Flow directions so that the warmth or warm air through the
  • Battery cell holder 204 can circulate. Circulation of the warm air is thus made possible by the fact that the air flows from top to bottom and back mainly through the fans themselves through the battery cell holder 204. In addition, the circulation can be supported by the fact that between the first cover element 202 and the battery cell holder 204, as well as between the battery cell holder 204 and the second cover element 203, there are spaces for the air circulation through damping materials arranged at this point. Thus, the circulating air movement within the
  • the air flow is a pure one
  • Battery cell receiving areas no battery cells are inserted. These are, for example, battery cell receiving spaces that are spatially close to the first fan 206 and the second fan 207.
  • the battery cell holder can have air channels which are arranged between the individual battery cells 205 in the battery cell holder 204, so that an optimal flow around the individual
  • Battery cells 205 takes place. These air channels can also only be present at the locations of the battery cell holder 204 at which the operating temperature of the battery cells 205 is very high, for example in the third temperature range 122 shown in FIG. 1. Alternatively or additionally, a further fan can be arranged on the second cover element 203 .
  • the arrows in FIG. 2 show the circulation within the battery housing through the battery cell holder 204 and along the base body 201.
  • the temperatures within the battery housing are recorded, for example, by means of NTCs at various points in the battery cell network.
  • the first fan 206 and the second fan 207 are thereby Battery management system 209 depending on one
  • FIG. 3 shows a second exemplary embodiment of a battery system 300.
  • the structure of the battery system 300 is similar to the structure of the battery system 200 from FIG. 2. Components with the same function from FIG. 3 have the same two rear positions of the reference symbols as the reference symbols from FIG. 2.
  • the battery system 300 also shows a battery cell holder 304
  • FIG. 3 shows six fans, the first fans 306, 308 and 309 and the second fans 307, 310 and 311 a different one
  • the battery cell receiving spaces, the first fan receiving spaces and the second fan receiving spaces have the same dimensions.
  • fans are arranged at some points on the battery cell holder.
  • This structure means that the volume flows of the warm air are low and the dimensions of the fans are comparable to the size of a battery cell 305.
  • a plurality of battery cell receiving areas are therefore preferably left free, i. H.
  • first fans 306, 308 and 309 and second fans 307, 310 and 311 are used.
  • a first fan 306, 308 and 309 and a second fan 307, 310 and 311 are arranged in pairs along the base body at a distance within a battery cell series circuit, the first fan preferably being in the vicinity of the first
  • a first fan 306, 308 and 309 and a second fan 307, 310 and 311 are arranged in different battery cell series connections in a further exemplary embodiment. As a result, only one battery cell 305 is removed per parallel row.
  • the base body 201 and 301 of the battery housing is designed in one piece and tubular and has a metal.
  • the metal can comprise aluminum or manganese, for example.
  • the base body 201 and 301 can be manufactured using a continuous casting process.
  • the invention can also be used at the module level, the
  • Battery cells are to be replaced by battery modules.
  • the fan is arranged within the individual battery modules, each of which has its own housing.
  • Battery pack level which homogenizes the temperature of the individual battery modules. In this case, the battery cell holder must go through a
  • Receiving element for battery modules to be replaced or designed such that it can accommodate battery modules.
  • the battery system is used, for example, in an electrically operated two-wheeler. Furthermore, the battery system can also be used in stationary devices, e.g. B. in house buffers.
  • FIG. 4 shows a method 400 for homogeneous temperature distribution within a battery system with at least one first fan and at least one second fans, which are arranged within the battery cell holder instead of battery cells.
  • the method 400 starts with step 410, in which the battery management system temperatures between the individual
  • the determined threshold value is, for example, a maximum permissible operating temperature or
  • Battery management system for the current operating state of the battery, i.e. Loading or unloading.
  • the specific threshold value for the charging process is 40 ° C and the specific threshold value for the unloading process is approximately 60 ° C. If the determined threshold value is reached, the following fan 440 controls the first fan and the second fan with different flow directions. If this is not the case, the method continues with step 410.
  • step 430 the area of the battery cell network affected by the temperature threshold exceeding is determined in a step 430 which follows the step 420.
  • step 440 all fans are actuated that are closest to this affected area or that can redistribute the waste heat as quickly as possible.
  • fans are operated simultaneously in both the hotter and the colder areas, so that a high temperature gradient is created, which leads to rapid cooling or homogenization of the temperature distribution within the battery system.

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Abstract

Batteriesystem (200) mit einem Batteriegehäuse, das einen Grundkörper (201), ein erstes Abdeckelement (202) und ein zweites Abdeckelement (203) umfasst, wobei das erste Abdeckelement (202) eine erste offene Stirnseite des Grundkörpers (201) verschließt und das zweite Abdeckelement (203) eine zweite offene Stirnseite des Grundkörpers (201) verschließt,einem Batteriezellenhalter (204), der Batteriezellenaufnahmeräume für eine Vielzahl von Batteriezellen (205) aufweist, wobei der Batteriezellenhalter (204) die Vielzahl von Batteriezellen (205) aufweist und der Batteriezellenhalter (204) innerhalb des Batteriegehäuses angeordnet ist, und einem Batteriemanagementsystem (109), das dazu eingerichtet ist die Vielzahl von Batteriezellen (205) zu überwachen und Temperaturen der einzelnen Batteriezellen (205) zu erfassen, dadurch gekennzeichnet, dass der Batteriezellenhalter (204) mindestens einen ersten Lüfteraufnahmeraum mit einem ersten Lüfter (206) und einen zweiten Lüfteraufnahmeraum mit einem zweiten Lüfter (207) aufweist, wobei der erste Lüfter (206) und der zweite Lüfter (207) unterschiedliche Strömungsrichtungen aufweisen, wobei der erste Lüfter und der zweite Lüfter in Abhängigkeit einer Schwellenwertüberschreitung der Temperatur der einzelnen Batteriezellen (205) vom Batteriemanagementsystem (109) angesteuert werden.

Description

Beschreibung
Bateriesystem mit Lüftern im Bateriezellenhalter und Verfahren zur homogenen
Temperaturverteilung innerhalb des Bateriesystems
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Batteriesystem mit Lüftern innerhalb eines
Batteriezellenhalters und ein Verfahren zur homogenen Temperaturverteilung innerhalb des Batteriesystems.
Batterien für mobile Anwendungen umfassen in der Regel eine Vielzahl von Batteriezellen. Diese Batteriezellen sind bezüglich der Spannung und der zulässigen Ströme limitiert. Um eine für einen vorgegebenen Anwendungsfall erforderliche Gesamtspannung und Gesamtkapazität der Batterie zu erreichen, werden die einzelnen Batteriezellen auf eine bestimmte Weise verschaltet. Eine serielle Verschaltung erhöht die erforderliche Gesamtspannung und eine parallele Verschaltung erhöht die erforderliche Gesamtkapazität, sowie die zulässigen Gesamtströme.
Zur Erzielung einer möglichst hohen Energiedichte werden einzelne
Batteriezellen dicht zueinander in einem Batteriezellenverbund angeordnet. Im Betrieb weist jede einzelne Batteriezelle eine bestimmte Verlustleistung auf. Diese Verlustleistung wird in Form von Abwärme in den Innenraum des
Batteriegehäuses abgegeben. Da die Abwärme an verschiedenen Stellen der Batterie unterschiedlich gut an die Umwelt abgeführt werden kann, entsteht eine inhomogene Temperaturverteilung innerhalb eines geschlossenen
Batteriegehäuses. Nachteilig ist hierbei, dass die Leistung der Batterie, sowie deren Lebenszeit beeinträchtigt werden.
Gefahrlos können die einzelnen Batteriezellen nur bis zu einer bestimmten Temperatur betrieben werden. Weder für den Ladevorgang noch für den
Entladevorgang dürfen die einzelnen Batteriezellen somit diese bestimmte Temperatur überschreiten, um die Sicherheit der Batterie zu gewährleisten. Wird die bestimmte Temperatur während des Entladevorgangs von einer Batteriezelle erreicht, so wird der Entladestrom der Batterie gedrosselt. Befindet sich die Batterie im Lademodus, wird der Ladevorgang nur gestartet, wenn die aktuelle Temperatur der Batteriezellen unterhalb der bestimmten Temperatur liegt.
Aufgrund der inhomogenen Temperaturverteilung befinden sich nur einzelne Batteriezellen im Bereich der Grenztemperatur des zulässigen Betriebs während andere Batteriezellen moderate Betriebstemperaturen aufweisen. Das
Batteriemanagementsystem drosselt jedoch die Leistung der gesamten Batterie, sobald sich eine Batteriezelle im kritischen Bereich der Grenztemperatur befindet.
Nachteilig ist hierbei, dass eine frühzeitige Drosselung der Batterieleistung erfolgt.
Auch für die Lebensdauer einer Batteriezelle spielt die Betriebstemperatur eine wichtige Rolle. Die Alterung einer Batteriezelle erfolgt bei hohen
Betriebstemperaturen sehr schnell. Aufgrund der inhomogenen
Temperaturverteilung innerhalb des geschlossenen Batteriegehäuses altern die Batteriezellen, die eine geringere Betriebstemperatur aufweisen deutlich langsamer als Batteriezellen, die eine hohe Betriebstemperatur aufweisen. Da die Batteriezellen in solch einem Batteriezellenverbund nicht ausgetauscht werden bzw. austauschbar sind, wird die gesamte Batterie außer Betrieb gesetzt, sobald eine bestimmte Anzahl an Batteriezellen ihr Lebensende erreicht haben. Zu diesem Zeitpunkt könnten jedoch alle anderen bzw. weiteren Batteriezellen noch eine Zeit lang gefahrlos betrieben werden. Um diese Nachteile zu überwinden, sind verschiedene Kühlarten bekannt. In den meisten Fällen wird dabei eine Luftkühlung oder eine Flüssigkeitskühlung verwendet. Zu diesem Zweck wird Luft mit Hilfe eines Gebläses aus der
Umgebung angesaugt und über die Batteriezellen geführt. Die angesaugte Luft wird dabei durch die Abwärme der einzelnen Batteriezellen erwärmt und tritt nach Passieren des Batteriezellenverbunds durch eine Austrittsöffnung aus dem Batteriegehäuse wieder aus. Die Wärme wird somit an die Umgebung abgegeben.
Das Dokument US 2003198864 Al beschreibt eine elektrochemische Batterie, die ein Batteriegehäuse mit einer Vielzahl von Batteriezellen und einen zentralen Lüfter umfasst. Mit Hilfe des Lüfters wird ein Luftstrom zwischen einer
Lufteinlassöffnung des Batteriegehäuses und einer Luftauslassöffnung des Batteriegehäuses erzeugt, der über die Batteriezellen geführt wird, wodurch die Batteriezellentemperatur reguliert wird.
Das Dokument US 2013149583 Al offenbart ein Batteriesystem mit einer Vielzahl von elektrischen Zellen, einem Batteriegehäuse und einem Lüfter. Ein Bereich des Batteriegehäuses, das unterhalb der Batteriezellen angeordnet ist, umfasst eine Einlassöffnung für Luft. Die Seitenwände, sowie ein Bereich des Batteriegehäuses oberhalb der Batteriezellen weisen Austrittsöffnungen für die Luft auf.
Nachteilig ist in beiden Dokumenten, dass Einlassöffnungen und
Auslassöffnungen für die Luft in das Batteriegehäuse eingefügt werden müssen. Ein weiterer Nachteil ist, dass das Batteriegehäuse dadurch undicht wird.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu überwinden.
Offenbarung der Erfindung
Ein Batteriesystem umfasst ein Batteriegehäuse mit einem Grundkörper, einem ersten Abdeckelement und einem zweiten Abdeckelement. Das erste
Abdeckelement verschließt eine erste offene Stirnfläche des Grundkörpers und das zweite Abdeckelement verschließt eine zweite offene Stirnseite des
Grundkörpers. Mit anderen Worten das Batteriegehäuse ist gegenüber der Umgebung luftdicht verschlossen. Das Batteriesystem umfasst einen
Batteriezellenhalter, der Batteriezellenaufnahmeräume für eine Vielzahl von Batteriezellen aufweist, wobei der Batteriezellenhalter die Vielzahl von
Batteriezellen aufweist und der Batteriezellenhalter innerhalb des
Batteriegehäuses angeordnet ist. Das Batteriesystem umfasst ein
Batteriemanagementsystem, das dazu eingerichtet ist die Vielzahl von
Batteriezellen zu überwachen und Temperaturen der einzelnen Batteriezellen zu erfassen. Erfindungsgemäß weist der Batteriezellenhalter mindestens einen ersten Lüfteraufnahmeraum mit einem ersten Lüfter und mindestens einen zweiten Lüfteraufnahmeraum mit einem zweiten Lüfter auf, wobei der erste Lüfter und der zweite Lüfter unterschiedliche Strömungsrichtungen aufweisen. Der erste Lüfter und der zweite Lüfter werden in Abhängigkeit einer
Schwellenwertüberschreitung der Temperatur der einzelnen Batteriezellen vom Batteriemanagementsystem angesteuert. Mit anderen Worten die
Temperaturumverteilung erfolgt innerhalb des geschlossenen Batteriegehäuses durch eine zirkulierende Luftbewegung der in der Batterie bzw. dem
Batteriesystem entstehenden Wärme.
Der Vorteil ist hierbei, dass die durch den Betrieb der Batteriezellen entstehende Abwärme innerhalb der Batterie homogen umverteilt wird und die homogen verteilte Wärme durch die Gehäuseoberfläche an die Umgebung abgegeben wird, sodass die einzelnen Batteriezellen gleichmäßig altern und eine Drosselung der Batterieleistung erst nach längerer Betriebszeit erfolgt. Das bedeutet eine mittelschnelle Erhitzung aller Batteriezellen statt einer schnellen Erhitzung der Batteriemitte und eine langsame Erhitzung in den Randbereichen. Außerdem führt eine verbesserte Temperaturverteilung bzw. ein schnelles Abkühlen der Batterie dazu, dass die Batterie schnell in einen ladefähigen Zustand tritt. Des Weiteren ist es vorteilhaft, dass keine Öffnungen für den Einlass und den
Auslass eines Kühlfluids benötigt werden. Außerdem werden weder Verdampfer noch Kondensatoren benötigt, wodurch das Gesamtsystem ein geringes Gewicht aufweist und kostengünstig ist. Das Batteriesystem ist somit auch für kleine Batterieanwendungen wie 48V-Systeme geeignet. Des Weiteren ist es vorteilhaft, dass die Anordnung bauraumneutral gegenüber einem Batteriegehäuse mit Batteriezellenhalter ohne Lüfter ist, da die Lüfter innerhalb des
Batteriezellenhalters angeordnet sind.
In einer Weiterbildung ist der erste Lüfter in der Nähe des ersten
Abdeckelements und der zweite Lüfter in der Nähe des zweiten Abdeckelements angeordnet.
Vorteilhaft ist hierbei, dass die Luftzirkulation innerhalb des Batteriegehäuses vom Frontdeckelbereich, der eine hohe Temperatur aufweist, zum hinteren Bereich des Batteriegehäuses, der kühlere Temperaturen aufweist, erfolgt und dadurch die Warmluft innerhalb des Batteriegehäuses von vorne nach hinten umverteilt wird. Das bedeutet die Warmluft kann innerhalb des Batteriegehäuses gut zirkulieren.
In einer Weiterbildung ist der erste Lüfter und der zweite Lüfter jeweils ein Axiallüfter.
Vorteilhaft ist hierbei, dass sich die Lüfter passgenau in die Aufnahmeräume des Batteriezellenhalters einfügen.
In einer weiteren Ausgestaltung weisen die Batteriezellenaufnahmeräume und der mindestens eine erste Lüfteraufnahmeraum und der mindestens eine zweite Lüfteraufnahmeraum gleiche Abmessungen auf.
Der Vorteil ist hierbei, dass der Batteriezellenhalter für die Lüfter nicht verändert werden muss.
In einer weiteren Ausgestaltung weist das zweite Abdeckelement mindestens einen weiteren Lüfter auf. Mit anderen Worten, der mindestens eine weitere Lüfter ist auf dem zweiten Abdeckelement innerhalb des Batteriegehäuses angeordnet. Der Vorteil ist hierbei, dass der mindestens eine weitere Lüfter bauraumtechnisch nur durch die Größe des zweiten Abdeckelement limitiert ist. Es können daher große Volumenströme erzeugt werden.
In einer Weiterbildung ist der Grundkörper ein Strangusselement.
Vorteilhaft ist hierbei, dass das Batteriegehäuse auf einfache und kostengünstige Weise hergestellt wird.
In einer weiteren Ausgestaltung umfasst das Batteriegehäuse Metall,
insbesondere Aluminium.
Der Vorteil ist hierbei, dass die homogen verteilte Wärme innerhalb des
Batteriegehäuses durch die wärmeleitfähige Oberfläche des Grundkörpers schnell nach außen, d. h. außerhalb des Batteriegehäuses, abgeführt werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur homogenen Temperaturverteilung innerhalb eines Batteriesystems, wobei das Batteriesystem ein Batteriegehäuse, einen Batteriezellenhalter mit Batteriezellenaufnahmeräumen für eine Vielzahl von Batteriezellen und ein Batteriemanagementsystem aufweist, das dazu eingerichtet ist die Vielzahl von Batteriezellen zu überwachen und Temperaturen der einzelnen Batteriezellen zu erfassen, und der Batteriezellenhalter mindestens einen ersten Lüfteraufnahmeraum mit einem ersten Lüfter und mindestens einen zweiten Lüfteraufnahmeraum mit einem zweiten Lüfter aufweist, umfasst, dass der erste Lüfter und der zweite Lüfter in Abhängigkeit einer
Schwellenwertüberschreitung der Temperatur der einzelnen Batteriezellen vom Batteriemanagementsystem angesteuert werden.
Die erfindungsgemäße Verwendung des erfindungsgemäßen Batteriesystems erfolgt in einem Elektrofahrzeug, insbesondere einem elektrisch betriebenen Zweirad. Das erfindungsgemäße Fahrzeug, insbesondere ein elektrisch betriebenes Zweirad, weist das erfindungsgemäße Batteriesystem auf.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von
Ausführungsbeispielen bzw. den abhängigen Patentansprüchen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter
Ausführungsformen und beigefügter Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine Draufsicht auf eine Temperaturverteilung eines
Batteriesystems mit einer Vielzahl von Batteriezellen, die seriell und parallel zueinander verschaltet sind,
Figur 2 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Batteriesystems mit
mindestens zwei Lüftern,
Figur 3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Batteriesystems mit sechs
Lüftern, und
Figur 4 ein Verfahren zur homogenen Temperaturverteilung innerhalb eines Batteriesystems mit mindestens zwei Lüftern.
Figur 1 zeigt eine Draufsicht auf eine beispielhafte Temperaturverteilung eines 48 V liefernden Batteriesystems 100 mit einer Vielzahl von Batteriezellen 105. Das Batteriesystem umfasst dreizehn Reihen von jeweils fünfzehn parallel zueinander geschalteten Batteriezellen 105, die einen Batteriezellenverbund bilden. Jede Batteriezelle 105 liefert hierbei eine Spannung von ca. 3,6 V, sodass die Batterie eine Geamtspannung von 48 V liefern kann. Aufgrund der dichten Anordnung der Batteriezellen 105 ergeben sich im Betrieb des Batteriesystems 100 durch die von den einzelnen Batteriezellen abgegebene Abwärme verschiedene
Temperaturbereiche innerhalb des in Figur 1 nicht gezeigten Batteriegehäuses. Beispielhaft sind in Figur 1 erste Temperaturbereiche 120, ein zweiter
Temperaturbereich 121, ein dritter Temperaturbereich 122 und vierte
Temperaturbereiche 123 gezeigt. Die ersten Temperaturbereiche 120 weisen eine niedrigere Temperatur auf als der zweite Temperaturbereich 121 und der dritte Temperaturbereich 122. Die vierten Temperaturbereiche 123 sind am kältesten. Der Grund hierfür ist, dass die Batteriezellen 105, die am Rand des Batteriezellenverbunds angeordnet sind, die Abwärme schneller an das
Batteriegehäuse abgeben können als die Batteriezellen 105, die im Inneren des Batteriezellenverbunds angeordnet sind. Das Batteriemanagementsystem 109 fungiert zusätzlich als Wärmequelle.
Figur 2 zeigt ein Batteriesystem 200 mit einem Batteriegehäuse, das einen Grundkörper 201, ein erstes Abdeckelement 202 und ein zweites Abdeckelement
203 umfasst. Das erste Abdeckelement 202 verschließt eine erste offene
Stirnseite des Grundkörpers 201 und umfasst ein hier nicht gezeigtes
Batteriemanagementsystem, das zweite Abdeckelement 203 verschließt eine zweite offene Stirnseite des Grundkörpers 201. Somit bildet das Batteriegehäuse einen geschlossenen Raum, der als Aufnahmeraum für einen Batteriezellenhalter
204 fungiert. Das Batteriegehäuse ist somit gegenüber der Umgebung abgedichtet bzw. luftdicht verschlossen. Der Batteriezellenhalter 204 füllt den Aufnahmeraum des Batteriegehäuses nicht vollständig aus. Das bedeutet das Batteriegehäuse und der Batteriezellenhalter 204 sind parallel zu den Stirnseiten beabstandet zueinander angeordnet. Mit anderen Worten es befinden sich oberhalb und unterhalb des im Batteriegehäuse aufgenommenen
Batteriezellenhalters leere Zwischenräume bzw. Hohlräume. Der
Batteriezellenhalter 204 weist Batteriezellenaufnahmeräume für eine Vielzahl von Batteriezellen 205 auf, wobei eine Vielzahl von Batteriezellen 205 in den
Batteriezellenaufnahmeräumen angeordnet sind. Der Batteriezellenhalter 204 weist mindestens einen ersten Lüfteraufnahmeraum für erste Lüfter 206 und mindestens einen zweiten Lüfteraufnahmeraum für zweite Lüfter 207 auf. Der erste Lüfter 206 ist innerhalb des ersten Lüfteraufnahmeraums und der zweite Lüfter 207 innerhalb des zweiten Lüfteraufnahmeraums angeordnet. Der erste Lüfter 206 und der zweite Lüfter 207 sind beispielsweise Axiallüfter. Der erste Lüfter 206 und der zweite Lüfter 207 weisen unterschiedliche Strömungsrichtungen auf, sodass die Wärme bzw. Warmluft durch den
Batteriezellenhalter 204 zirkulieren kann. Eine Zirkulation der Warmluft wird somit dadurch ermöglicht, dass die Luft hauptsächlich durch die Lüfter selbst durch den Batteriezellenhalter 204 von oben nach unten und zurück fließen. Zusätzlich kann die Zirkulation dadurch unterstützt werden, dass zwischen dem ersten Abdeckelement 202 und dem Batteriezellenhalter 204, sowie zwischen dem Batteriezellenhalter 204 und dem zweiten Abdeckelement 203 Freiräume für die Luftumwälzung durch an dieser Stelle angeordnete Dämpfungsmaterialien bestehen. Somit kann die zirkulierende Luftbewegung innerhalb des
Batteriegehäuses optimiert werden. Der Luftstrom stellt dabei eine reine
Umwälzung der innerhalb der Batterie befindlichen Luft dar. Dadurch wird die Warmluft innerhalb der Batterie zwischen Bereichen hoher und tiefer Temperatur ausgetauscht, sodass sich die verschiedenen Temperaturbereiche innerhalb der Batterie angleichen. Mit anderen Worten die Abwärme der Batteriezellen 205 wird innerhalb der Batterie umverteilt. Um die Verteilung der Wärme verbessern zu können, werden zusätzlich weitere Batteriezellenaufnahmeräume des
Batteriezellenhalters 204 freigelassen, d. h. in diese
Batteriezellenaufnahmebereiche werden keine Batteriezellen eingefügt. Dabei handelt es sich beispielsweise um Batteriezellenaufnahmeräume, die sich räumlich in der Nähe des ersten Lüfters 206 und des zweiten Lüfters 207 befinden. Alternativ oder zusätzlich kann der Batteriezellenhalter Luftkanäle aufweisen, die zwischen den einzelnen Batteriezellen 205 im Batteriezellenhalter 204 angeordnet sind, sodass eine optimale Umströmung der einzelnen
Batteriezellen 205 erfolgt. Diese Luftkanäle können auch nur an den Stellen des Batteriezellenhalters 204 vorhanden sein, an denen die Betriebstemperatur der Batteriezellen 205 sehr hoch ist, beispielsweise in dem in Figur 1 gezeigten dritten Temperaturbereich 122. Alternativ oder zusätzlich kann ein weiterer Lüfter auf dem zweiten Abdeckelement 203 angeordnet sein.
Anhand von Pfeilen ist die Zirkulation in Figur 2 innerhalb des Batteriegehäuses durch den Batteriezellenhalter 204 und entlang des Grundkörpers 201 gezeigt. Die Temperaturen innerhalb des Batteriegehäuses werden beispielsweise mittels NTCs an verschiedenen Stellen des Batteriezellenverbunds erfasst. Der erste Lüfter 206 und der zweite Lüfter 207 werden dabei vom Bateriemanagementsystem 209 in Abhängigkeit einer
Schwellenwertüberschreitung der Temperatur der Bateriezellen 205 gesteuert. Durch die Umwälzung wird die Luft am Grundkörper des Bateriegehäuses entlanggeführt, sodass die umverteilte Wärme passiv über die Oberfläche des Bateriegehäuses abgegeben wird.
Figur 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines Bateriesystems 300. Der Aufbau des Bateriesystems 300 ist dem Aufbau des Bateriesystems 200 aus Figur 2 ähnlich. Funktionsgleiche Bauelemente aus Figur 3 weisen dieselben beiden hinteren Stellen der Bezugszeichen auf wie die Bezugszeichen aus Figur 2. Das Bateriesystem 300 zeigt einen Bateriezellenhalter 304 mit
Bateriezellenaufnahmeräumen für eine Vielzahl von Bateriezellen 305 und erste Lüfteraufnahmeräume für eine Vielzahl von ersten Lüftern 306, 308 und 309 und zweite Lüfteraufnahmeräume für eine Vielzahl von zweiten Lüftern 307, 310 und 311. In Figur 3 sind sechs Lüfter gezeigt, wobei die ersten Lüfter 306, 308 und 309 und die zweiten Lüfter 307, 310 und 311 eine unterschiedliche
Strömungsrichtung aufweisen.
In einem Ausführungsbeispiel weisen die Bateriezellenaufnahmeräume, die ersten Lüfteraufnahmeräume und die zweiten Lüfteraufnahmeräume gleiche Dimensionen auf. Das bedeutet, dass anstelle von Bateriezellen an einigen Stellen des Bateriezellenhalters Lüfter angeordnet sind. Durch diesen Aufbau sind die Volumenströme der Warmluft gering und die Dimension der Lüfter vergleichbar mit der Größe einer Bateriezelle 305. Vorzugsweise werden daher mehrere Bateriezellenaufnahmebereiche freigelassen, d. h. ohne Bateriezelle 305 und statdessen erste Lüfter 306, 308 und 309 und zweite Lüfter 307, 310 und 311 eingesetzt. In einem Ausführungsbeispiel sind jeweils ein erster Lüfter 306, 308 und 309 und ein zweiter Lüfter 307, 310 und 311 paarweise entlang des Grundkörpers beabstandet innerhalb einer Bateriezellenreihenschaltung angeordnet, vorzugsweise ist der erste Lüfter in der Nähe des ersten
Abdeckelements und der zweite Lüfter in der Nähe des zweiten Abdeckelements angeordnet. Anhand von Pfeilen ist die Zirkulationsrichtung der Warmluft an der Oberseite des Bateriezellenhalters 304 gezeigt. Die Herausnahme von einzelnen Bateriezellen 305 aus einer Parallelreihe führt zu einer höheren Belastung der übrigen Batteriezellen 305 innerhalb der Parallelreihe, da sich der gleiche Gesamtstrom auf weniger Batteriezellen 305 verteilt. Des Weiteren steigen Ohmsche Verluste durch den Innenwiderstand der Batteriezellen zum Batteriezellenstrom im Quadrat, sodass sich die Wärmeentwicklung in den verbleibenden Batteriezellen erhöht. Dieser Effekt ist stärker je kürzer die Parallelreihe.
Zur Verminderung dieses Effekts werden in einem weiteren Ausführungsbeispiel jeweils ein erster Lüfter 306, 308 und 309 und ein zweiter Lüfter 307, 310 und 311 in unterschiedlichen Batteriezellenreihenschaltungen angeordnet. Dadurch wird pro Parallelreihe nur eine Batteriezelle 305 entfernt.
Der Grundkörper 201 und 301 des Batteriegehäuses ist einstückig und rohrförmig ausgestaltet und weist ein Metall auf. Das Metall kann beispielsweise Aluminium oder Mangan umfassen. Der Grundkörper 201 und 301 kann mit Hilfe eines Stanggussverfahrens hergestellt werden.
Die Erfindung kann auch auf Modulebene verwendet werden, wobei die
Batteriezellen durch Batteriemodule zu ersetzen sind. Dabei wird der Lüfter innerhalb der einzelnen Batteriemodule, die jeweils ein eigenes Gehäuse aufweisen, angeordnet.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst den Einbau eines Lüfters auf
Batteriepackebene, der die Temperatur der einzelnen Batteriemodule homogenisiert. In diesem Fall muss der Batteriezellenhalter durch ein
Aufnahmeelement für Batteriemodule ersetzt werden bzw. derart ausgestaltet sein, dass er Batteriemodule aufnehmen kann.
Das Batteriesystem findet beispielsweise Anwendung in einem elektrisch betriebenen Zweirad. Des Weiteren kann das Batteriesystem auch in stationären Vorrichtungen Anwendung finden, z. B. in Hauspufferspeichern.
Figur 4 zeigt ein Verfahren 400 zur homogenen Temperaturverteilung innerhalb eines Batteriesystems mit mindestens einem ersten Lüfter und mindestens einem zweiten Lüfter, die innerhalb des Batteriezellenhalters anstelle von Batteriezellen angeordnet sind. Das Verfahren 400 startet mit dem Schritt 410, indem das Batteriemanagementsystem Temperaturen zwischen den einzelnen
Batteriezellen erfasst. In einem folgenden Schritt 420 wird geprüft, ob eine der Temperaturen der Batteriezellen einen bestimmten Schwellenwert überschreitet.
Der bestimmte Schwellenwert ist beispielsweise eine vom Hersteller der Batteriezelle vorgegebene maximal zulässige Betriebstemperatur bzw.
Grenztemperatur der Batteriezelle. Alternativ kann sie auch durch das
Batteriemanagementsystem für den aktuellen Betriebszustand der Batterie, d.h. Laden oder Entladen, vorgegeben werden. Für den Ladevorgang liegt der bestimmte Schwellenwert bei 40°C und für den Entladevorgang liegt der bestimmte Schwellenwert bei ca. 60°C. Wird der bestimmte Schwellenwert erreicht, werden einem folgenden Schritt 440 der erste Lüfter und der zweite Lüfter mit unterschiedlicher Strömungsrichtung angesteuert. Ist dies nicht der Fall, wird das Verfahren mit dem Schritt 410 fortgesetzt.
Weist das Batteriesystem mehr als zwei Lüfter auf, wird in einem Schritt 430, der auf den Schritt 420 folgt, der durch die Temperaturschwellenwertüberschreitung betroffene Bereich des Batteriezellenverbunds bestimmt. Im folgenden Schritt 440 werden alle Lüfter angesteuert, die diesem betroffenen Bereich am nächsten liegen bzw. die Abwärme am schnellsten umverteilen können. Hierbei werden Lüfter gleichzeitig sowohl in den heißeren als auch in den kälteren Bereichen betrieben, sodass ein hoher Temperaturgradient entsteht, der zu einer schnellen Abkühlung bzw. Homogenisierung der Temperaturverteilung innerhalb des Batteriesystems führt.

Claims

Ansprüche
1. Bateriesystem (200) mit
• einem Bateriegehäuse, das einen Grundkörper (201), ein erstes
Abdeckelement (202) und ein zweites Abdeckelement (203) umfasst, wobei das erste Abdeckelement (202) eine erste offene Stirnseite des Grundkörpers (201) verschließt und das zweite Abdeckelement (203) eine zweite offene Stirnseite des Grundkörpers (201) verschließt,
• einem Bateriezellenhalter (204), der Bateriezellenaufnahmeräume für eine Vielzahl von Bateriezellen (205) aufweist, wobei der Bateriezellenhalter (204) die Vielzahl von Bateriezellen (205) aufweist und der Bateriezellenhalter
(204) innerhalb des Bateriegehäuses angeordnet ist, und
• einem Bateriemanagementsystem (109), das dazu eingerichtet ist die Vielzahl von Bateriezellen (205) zu überwachen und Temperaturen der einzelnen Bateriezellen (205) zu erfassen,
dadurch gekennzeichnet, dass
• der Bateriezellenhalter (204) mindestens einen ersten Lüfteraufnahmeraum mit einem ersten Lüfter (206) und einen zweiten Lüfteraufnahmeraum mit einem zweiten Lüfter (207) aufweist, wobei der erste Lüfter (206) und der zweite Lüfter (207) unterschiedliche Strömungsrichtungen aufweisen, wobei der erste Lüfter und der zweite Lüfter in Abhängigkeit einer
Schwellenwertüberschreitung der Temperatur der einzelnen Bateriezellen
(205) vom Bateriemanagementsystem (109) angesteuert werden.
2. Bateriesystem (200) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Lüfter (206) in der Nähe des ersten Abdeckelements (202) und der zweite Lüfter (207) in der Nähe des zweiten Abdeckelements (203) angeordnet ist.
3. Bateriesystem (200) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, dass der erste Lüfter (206) und der zweite Lüfter Axiallüfter (207) sind.
4. Bateriesystem (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Bateriezellenaufnahmeräume und der mindestens eine erste Lüfteraufnahmeraum und der mindestens eine zweite Lüfteraufnahmeraum gleiche Abmessungen aufweisen.
5. Bateriesystem (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das zweite Abdeckelement (203) mindestens einen weiteren Lüfter aufweist.
6. Bateriesystem (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der Grundkörper (201) ein Strangusselement ist.
7. Bateriesystem (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das Bateriegehäuse Metall, insbesondere Aluminium, umfasst.
8. Verfahren (400) zur homogenen Temperaturverteilung innerhalb eines
Bateriesystems, wobei das Bateriesystem ein Bateriegehäuse, einen
Bateriezellenhalter mit Bateriezellenaufnahmeräumen für eine Vielzahl von Bateriezellen und ein Bateriemanagementsystem aufweist, wobei der
Bateriezellenhalter die Vielzahl von Bateriezellen aufweist und der
Bateriezellenhalter innerhalb des Bateriegehäuses angeordnet ist und das Bateriemanagementsystem dazu eingerichtet ist die Vielzahl von Bateriezellen zu überwachen und Temperaturen der einzelnen Bateriezellen zu erfassen, dadurch gekennzeichnet, dass der Bateriezellenhalter mindestens einen ersten
Lüfteraufnahmeraum mit einem ersten Lüfter und mindestens einen zweiten Lüfteraufnahmeraum mit einem zweiten Lüfter aufweist, wobei der erste Lüfter und der zweite Lüfter in Abhängigkeit einer Schwellenwertüberschreitung der
Temperatur der einzelnen Bateriezellen vom Bateriemanagementsystem angesteuert werden.
9. Verwendung eines Bateriesystems (400) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 in einem Elektrofahrzeug, insbesondere einem elektrisch betriebenen Zweirad.
10. Fahrzeug, insbesondere ein elektrisch betriebenes Zweirad, mit einem
Bateriesystem (400) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
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