DE102009040067A1

DE102009040067A1 - Batterie mit Kühlung der Batteriezellen nach dem Wärmerohr-Prinzip

Info

Publication number: DE102009040067A1
Application number: DE102009040067A
Authority: DE
Inventors: Jens Bockstette; Peter Mauermann
Original assignee: FEV Motorentechnik GmbH and Co KG
Current assignee: FEV Europe GmbH
Priority date: 2009-09-04
Filing date: 2009-09-04
Publication date: 2011-03-10
Anticipated expiration: 2029-09-05
Also published as: DE102009040067B4

Abstract

Hochtemperaturbatterie 11 mit einer Mehrzahl von im Wesentlichen plattenförmigen parallel zueinander angeordneten Batteriezellen 12 mit einer Kühlvorrichtung nach dem Wärmerohrprinzip, umfassend einen Innenraum 14 mit einer batterienahen Heizzone 16 und einer batteriefernen Kühlzone 17, der mit einem niedrig verdampfenden Arbeitsmedium gefüllt ist, wobei die Kühlvorrichtung aus einzelnen plattenförmigen parallel zueinander angeordneten Kühlzellen 13 besteht, die jeweils mit ihren Heizzonen 16 zwischen zwei Batteriezellen 13 liegen und deren Kühlzonen 17 jeweils zwischen zwei Batteriezellen 13 nach außen vorstehen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Batterie mit einer Mehrzahl von im wesentlichen plattenförmigen parallel zueinander angeordneten Batteriezellen mit einer Kühlvorrichtung nach dem Wärmerohrprinzip, umfassend einen Innenraum mit einer zellennahen Heizzone und einer zellenfernen Kühlzone, der mit einem niedrig verdampfenden Arbeitsmedium gefüllt ist.
Aus der DE 28 19 600 C2 ist eine elektrochemische Speicherbatterie, insbesondere auf der Basis von Alkalimetall und Schwefel bekannt bei der in einem großvolumigen Zwischenraum zwischen elektrochemischer Speicherzelle und einer umschließenden Isolierung ein Heizzonenabschnitt eines Hohlkörpersystems angeordnet ist, das mit einem aus der Isolierung herausgeführten Kühlzonenabschnitt verbunden ist und in dem sich ein verdampfbares Medium befindet.
Aus der DE 197 24 020 A1 ist ein Batteriegerät, wie beispielsweise eine Natrium-Schwefel-Batterie bekannt, in welchem die Batteriezellen in einem Wärmeschutzbehälter angeordnet sind. Hierbei ist unterhalb der einzelnen im wesentlichen parallel zueinander angeordneten zylindrischen Batteriezellen eine Moduleinheit angeordnet, in dem eine Mehrzahl von Wärmerohren mit ihren Heizzonen angeordnet sind. Die außerhalb dieser Moduleinheit liegenden Kühlzonen der Wärmerohre sind in einer außerhalb der Batterieeinheit liegenden Strahlungseinheit integriert.
Aus der DE 198 29 293 A1 ist eine Speicherbatterie mit einem Kühlsystem bekannt, die ein luftdichtes Gehäuse aufweist, in der eine Mehrzahl von Batteriezellen angeordnet ist, wobei das übrige Volumen des Gehäuses mit einem niedrig verdampfenden Kühlmittel gefüllt ist und wobei im oberen Teil des luftdichten Gehäuses eine Leitungsführung für ein Rückkühlmittel angeordnet ist.
Batterien, insbesondere Lithiumionenbatterien, gewinnen zunehmende Bedeutung im Fahrzeugantriebsbereich, sowohl bei Hybridfahrzeugen wie auch bei Elektrofahrzeugen. Für die größtmögliche Leistungsabgabe der Batterien ist die genaue Temperierung der Batterien und hier insbesondere die gleichmäßige Temperierung aller Batteriezellen von großer Bedeutung. Je nach Umgebungsbedingungen und Leistungsanforderungen müssen die Batteriezellen gleichmäßig gekühlt werden, ggf. auch gleichmäßig beheizt werden. Der für ein Kühlsystem für die Batterie zur Verfügung stehende Bauraum ist im Kraftfahrzeuganwendungsbereich gering. Unter diesem Gesichtspunkt sind Kühlsysteme nach dem Wärmerohrprizip besonders geeignet.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Batterie mit einem Kühlsystem der eingangs genannten Art bereitzustellen, die bei hoher Kühlwirkung zum einen kostengünstig darstellbar ist und zum anderen äußerst kompakt auszuführen ist. Die Lösung hierfür besteht darin, daß die Kühlvorrichtung aus einzelnen plattenförmigen parallel zueinander angeordneten Kühlzellen besteht, die jeweils mit ihren Heizzonen zwischen zwei Batteriezellen liegen und deren Kühlzonen jeweils zwischen zwei Batteriezellen nach außen vorstehen.
Mit der hiermit angegebenen Lösung ist zum einen die Übertragungsfläche zwischen den Batteriezellen und den Kühlzellen größtmöglich dargestellt, zum anderen ist die Bauweise der Kühlzellen als Mehrschicht beziehungsweise Plattenbauweise äußerst günstig darstellbar. In bevorzugter Ausführungsform ist vorgesehen, daß das Arbeitsmedium in den einzelnen Kühlzellen jeweils eingeschlossen ist und von dem der übrigen Kühlzellen getrennt ist. Hiermit wird die Herstellung der Kühlzellen vollkommen standardisiert möglich, unabhängig von der Anzahl der Batteriezellen der verwendeten Batterie.
Es ist weiterhin vorgesehen, daß die Kühlzonen der einzelnen Kühlzellen in einen gemeinsamen mit einem flüssigen Kühlmedium gefüllten, insbesondere von diesem durchströmten Kühlraum eingeschlossen sind. Diese Ausgestaltungsform ermöglicht die Darstellung der Rückkühlanordnung mit geringstmöglichem Aufwand; alternativ hierzu ist es möglich, daß die Kühlzonen der einzelnen Kühlzellen in einer Kühlluftströmung angeordnet sind. Mit der hier angegebenen Bauweise kann die Rückkühlung nochmals vereinfacht werden.
Die Kühlzellen selber sind vorzugsweise aus zwei ebenen metallischen Platten und einem zwischen diesen liegenden dickenelastischen Zwischenelement ausgebildet, daß einen umlaufenden Rahmen darstellen kann oder gegebenenfalls ein plattenartiges Element mit entsprechenden Hohlräumen für das Kühlmedium bilden kann. Die außen liegenden Platten bestehen im Hinblick auf die geforderte notwendige Wärmeleitfähigkeit vorzugsweise aus Kupfer. Die Dickenelastizität kann die nicht zu vermeidende Wärmedehnung der Batteriezellen schadensfrei aufnehmen, ohne daß der geforderte großflächige Plattenkontakt zwischen den Batteriezellen und den Kühlzellen verloren geht, indem sie Kapillarstrukturen beim Zusammensetzen mit den außenliegenden Platten bildet. Das dickenelastische Zwischenelement kann bei entsprechender Ausgestaltung die Funktionsweise der Kühlzellen verbessern. Die angesprochenen Kapillarstrukturen können auch durch entsprechende Bearbeitung auf den Innenseiten der metallischen Platten der Kühlzellen dargestellt werden.
Zum Zwecke der oben bereits angedeuteten Beheizung der Kühlzellen in bestimmten Betriebszuständen können in die Kühlzellen Heizelemente integriert sein, insbesondere im Bereich der Zwischenelemente, in die zum Beispiel Heizspiralen vergossen werden können. Die Zwischenelemente können vorzugsweise aus Kunststoff oder Silikon bestehen. Hierbei kann ein umlaufender Rahmen in situ beim Verbinden der metallischen Platten hergestellt werden. Die Platten und das Zwischenelement der Kühlzellen können miteinander verklebt, gegebenenfalls jedoch auch mechanisch miteinander verspannt sein, zum Beispiel durch vernieten oder clinchen, sofern die notwendige Abdichtung der Kühlzellen sichergestellt ist.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Batterie ist in den Zeichnungen dargestellt und wird nachstehend beschrieben.
1 zeigt einen vertikalen Schnitt durch eine Batterie in der Ebene einer Kühlzelle;
2 zeigt ein vertikalen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Batterie in der Ebene einer Batteriezelle;
3 zeigt einen horizontalen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Batterie in einer leicht abgewandelten Form mit integrierter Rückkühlvorrichtung.
In 1 ist eine erfindungsgemäße Batterie 11 im Schnitt dargestellt, an der in Ansicht einer der parallel zueinander angeordneten plattenförmigen Batteriezellen 12 sowie eine schnittdargestellte jeweils zwischen den Batteriezellen liegende Kühlzelle 13 erkennbar ist. An der Kühlzelle 13 ist ein Innenraum 14 innerhalb eines dickenelastischen Rahmenelements 15 erkennbar, der ein Kühlmedium einschließt. Mit einer gestrichelten Linie, die der Ausdehnung einer Batteriezelle entspricht, wird am Kühlelement eine Heizzone 16, die jeweils zwischen zwei Batteriezellen liegt, und eine zwischen den Batteriezellen seitlich vorstehende Rückkühlzone 17 getrennt. Die Mittel zur Rückkühlung sind hier nicht dargestellt. Innerhalb der Heizzone 16 der Kühlzelle ist symbolisch eine Heizspirale 18 mit nach außen reichenden Anschlüssen 19, 20 dargestellt.
In 2 ist die erfindungsgemäße Batterie 11 im Schnitt durch eine Batteriezelle 12 gezeigt, wobei erkennbar wird, daß die Fläche der Batteriezelle 12 der Fläche der Heizzone (16) der benachbarten Kühlzellen (13) entspricht. Über die Fläche der geschnittenen Batteriezelle 12 steht die Fläche der Rückkühlzone (17) einer Kühlzelle 13 über. Die nach oben und unten weisenden überstehenden Teile der Batteriezelle 12 bilden die elektrischen Anschlüsse 21, 22 der Batteriezelle. Die elektrischen Anschlüsse 19, 20 der Heizspiralen der Kühlzellen sind ebenfalls erkennbar.
In 3 ist eine Batterie 11 in einem horizontalen Schnitt dargestellt, an der ebenfalls einzelne plattenförmige Batteriezellen 12 jeweils zwischen parallel zu diesen liegenden Kühlzellen 13 zu erkennen sind. Die jeweils äußersten Batteriezellen 12 sind von abschließenden Kühlzellen 131, 132, die gegebenenfalls geringere Kühlkapazität haben können abgedeckt. Abweichend von der Ausführung nach den 1 und 2 werden hier die Rückkühlzonen 17 der Kühlzellen 13, zwischen den Batteriezellen 12 seitlich vorstehen, insgesamt von einer Rückkühleinheit 23 eingeschlossen. In der Rückkühleinheit 23 ist die Phasengrenze 26 eines flüssigen Kühlmediums angedeutet, das außen flüssig und zwischen den Batteriezellen 12 gasförmig ist. Die Rückkühleinheit 23 hat Leitungsanschlüsse 24, 25 für den Kühlmediumeintritt und entsprechende mit diesen bevorzugt fluchtende Leitungsanschlüsse für den Kühlmittelaustritt. Durchströmung der Rückkühleinheit 23 erfolgt parallel zur Ausrichtung der Kühlzellen 13. An der im Schnitt dargestellten Kühlzelle 13 sind zwei metallische Platten 27, 28 und die dazwischen liegende Rahmeneinheit 15 erkennbar, die dickenelastisch ist. Die Platten 27, 28, die insbesondere aus Kupfer bestehen können, sind flächig anliegend mit den benachbarten Batteriezellen 12 verbunden.
Bezugszeichenliste

11: Batterie
12: Batteriezelle
13: Kühlzelle
14: Innenraum
15: Rahmeneinheit
16: Heizzone
17: Rückkühlzone
18: Heizspirale
19: Anschlußleitung
20: Anschlußleitung
21: Anschluß
22: Anschluß
23: Rückkühleinheit
24: Leitungsanschluß
25: Leitungsanschluß
26: Phasengrenze
27: Platte
28: Platte

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 2819600 C2 [0002]
DE 19724020 A1 [0003]
DE 19829293 A1 [0004]

Claims

Batterie (11) mit einer Mehrzahl von im wesentlichen plattenförmigen parallel zueinander angeordneten Batteriezellen (12) mit einer Kühlvorrichtung nach dem Wärmerohrprinzip, umfassend einen Innenraum (14) mit einer zellennahen Heizzone (16) und einer zellenfernenfernen Kühlzone (17), der mit einem niedrig verdampfenden Arbeitsmedium gefüllt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlvorrichtung aus einzelnen plattenförmigen parallel zueinander angeordneten Kühlzellen (13) besteht, die jeweils mit ihren Heizzonen (16) zwischen zwei Batteriezellen (13) liegen und deren Kühlzonen (17) jeweils zwischen zwei Batteriezellen (13) nach außen vorstehen.
Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsmedium in den einzelnen Kühlzellen (13) jeweils eingeschlossen und von dem der übrigen Kühlzellen getrennt ist.
Batterie nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlzonen (17) der einzelnen Kühlzellen (13) in einen gemeinsamen mit einem flüssigen Kühlmedium gefüllten, insbesondere von diesem durchströmten Kühlraum (23) eingeschlossen sind.
Batterie nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlzonen (17) der einzelnen Kühlzellen (13) in einer Kühlluftströmung angeordnet sind.
Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlzellen (13) jeweils aus zwei metallischen Platten (27, 28) und einem zwischen diesen liegenden dickenelastischen platten- oder rahmenförmigen Zwischenelement (15) bestehen.
Batterie nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in dem dickenelastischen Zwischenelement (15) und/oder in den innenliegenden Oberflächen der metallischen Platten (27, 28) Kappillarstrukturen ausgebildet sind.
Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in den Kühlzellen (13) jeweils elektrische Heizelemente (18) angeordnet sind.
Batterie nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizelemente (19) in den dickenelastischen Zwischenelementen (15) angeordnet sind.
Batterie nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die metallischen Platten (27, 28) und das dickenelastische Zwischenelement (15) jeweils miteinander verklebt sind.
Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Batteriezellen (12) und die Kühlzellen (13) jeweils flächig miteinander in Kontakt sind.