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DE102010009847A1 - Accumulator system i.e. high volt accumulator system, for use in e.g. hybrid vehicle, has cooling passage with fluid, where fluid is displaced by pump in flow, and reversal unit reversing flow direction into cooling passage - Google Patents

Accumulator system i.e. high volt accumulator system, for use in e.g. hybrid vehicle, has cooling passage with fluid, where fluid is displaced by pump in flow, and reversal unit reversing flow direction into cooling passage Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Batteriesystem (1), umfassend mindestens eine Batteriezelle (BZ1–BZn) und mindestens einen Kühlkanal (3) mit einem Fluid (4), das den Kühlkanal (3) durchströmt, wobei das Fluid (4) durch mindestens eine Pumpe (2) in Strömung versetzt wird, wobei das Batteriesystem (1) mindestens ein Mittel zur Umkehrung der Strömungsrichtung in den Kühlkanal (3) umfasst, sowie ein Verfahren zur Klimatisierung eines Batteriesystems (1).The invention relates to a battery system (1) comprising at least one battery cell (BZ1-BZn) and at least one cooling channel (3) with a fluid (4) flowing through the cooling channel (3), the fluid (4) being supplied by at least one pump (2) is set in flow, the battery system (1) comprising at least one means for reversing the direction of flow in the cooling channel (3), as well as a method for air conditioning a battery system (1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Batteriesystem und ein Verfahren zur Klimatisierung eines Batteriesystems, insbesondere für ein Hochvolt-Batteriesystem in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug.The invention relates to a battery system and a method for conditioning a battery system, in particular for a high-voltage battery system in an electric or hybrid vehicle.

In Hochvolt-Batteriesystemen mit Li-Ionenzellen für die Anwendung in Elektro- oder Hybridfahrzeugen ist aus Sicherheits- und Lebensdauergründen eine Temperaturüberwachung der Zellen erforderlich. Die Leistung einer Li-Ionen-Batterie hängt von der Batterietemperatur und dem Alter, den Lade- und Entladeströmen der Batterie sowie dem Ladezustand SOC (Stete of Charge) ab. Erreicht auch nur eine einzelne Zelle ihre Maximaltemperatur, muss der Lade- bzw. Entladevorgang abgeregelt werden. Die schwächste Zelle bestimmt somit den maximalen Ladezustand des Gesamtsystems bzw. die Effizienz des Ladevorgangs.In high-voltage battery systems with Li-ion cells for use in electric or hybrid vehicles, temperature monitoring of the cells is required for safety and service life reasons. The performance of a Li-ion battery depends on the battery temperature and the age, the charge and discharge currents of the battery and the state of charge SOC (Stete of charge). If only a single cell reaches its maximum temperature, the charging or discharging process must be stopped. The weakest cell thus determines the maximum state of charge of the entire system or the efficiency of the charging process.

Aus der WO 2008/156737 A1 bzw. WO 2009/029138 A2 sind jeweils Hochvolt-Batteriesysteme zur Anwendung in Elektro- oder Hybridfahrzeugen bekannt, wobei Kühlkanäle zwischen den Batteriezellen angeordnet sind. In den Kühlkanälen strömt dann ein Fluid, das Wärme von den Batteriezellen abführt.From the WO 2008/156737 A1 respectively. WO 2009/029138 A2 In each case high-voltage battery systems for use in electric or hybrid vehicles are known, wherein cooling channels are arranged between the battery cells. In the cooling channels then flows a fluid that dissipates heat from the battery cells.

Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein Batteriesystem und ein Verfahren zur Klimatisierung eines Batteriesystems zu schaffen, mittels derer die Klimatisierung verbessert wird.The invention is based on the technical problem of providing a battery system and a method for conditioning a battery system, by means of which the air conditioning is improved.

Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 5. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.The solution of the technical problem results from the objects with the features of claims 1 and 5. Further advantageous embodiments of the invention will become apparent from the dependent claims.

Hierzu umfasst das Batteriesystem mindestens eine Batteriezelle und mindestens einen Kühlkanal mit einem Fluid, das den Kühlkanal durchströmt, wobei das Fluid durch mindestens eine Pumpe in Strömung versetzt wird, wobei das Batteriesystem mindestens ein Mittel zur Umkehrung der Strömungsrichtung in dem Kühlkanal umfasst. Hierdurch wird es möglich, bei relativ einfacher Leitungsführung des Kühlkanals ein Temperaturgefälle über einer, insbesondere aber über mehrere Batteriezellen zu reduzieren bzw. zu homogenisieren. Bei einer gleich bleibenden Strömungsrichtung nimmt das Fluid kontinuierlich entlang der Batteriezellen Wärmeenergie auf. Dies führt dazu, dass sich das Fluid erwärmt und dadurch weniger Wärmeenergie aufnehmen kann. Als Ergebnis können die stromabwärts gelegenen Batteriezellen weniger Wärmeenergie abgeben und weisen eine höhere Temperatur auf als die stromaufwärts gelegenen Batteriezellen. Dieser Temperaturgradient kann nun durch die einfache Umschaltung der Strömungsrichtung reduziert werden. Dies erspart komplexe und gegebenenfalls mehrkanalige Ausbildungen des Kühlkanals, so dass kleinere Strömungswiderstände erreichbar sind. Der Kühlkanal ist vorzugsweise einkanalig. Der Kühlkanal kann dabei gerade oder mäanderförmig an den Batteriezellen vorbeigeführt werden. Das Fluid ist vorzugsweise ein flüssiges Kühlmittel.For this purpose, the battery system comprises at least one battery cell and at least one cooling channel with a fluid flowing through the cooling channel, wherein the fluid is caused to flow by at least one pump, wherein the battery system comprises at least one means for reversing the flow direction in the cooling channel. This makes it possible to reduce or homogenize a temperature gradient over one, but in particular over a plurality of battery cells with relatively simple routing of the cooling channel. With a constant flow direction, the fluid continuously absorbs thermal energy along the battery cells. This causes the fluid to heat up and thereby absorb less heat energy. As a result, the downstream battery cells can emit less heat energy and have a higher temperature than the upstream battery cells. This temperature gradient can now be reduced by simply switching the flow direction. This saves complex and possibly multi-channel configurations of the cooling channel, so that smaller flow resistances can be achieved. The cooling channel is preferably single-channel. The cooling channel can be guided straight or meandering past the battery cells. The fluid is preferably a liquid coolant.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist dem Mittel ein Steuergerät zugeordnet, das in Abhängigkeit mindestens eines Parameters die Strömungsrichtung umschaltet. Der Parameter ist vorzugsweise eine Zeitdauer und/oder ein Temperaturgradient zwischen den Batteriezellen oder in dem Fluid und/oder eine erwartete Temperaturerhöhung der Batteriezellen aufgrund eines erwarteten Lade- oder Entladestromes.In a preferred embodiment, the means is assigned a control device which switches the flow direction as a function of at least one parameter. The parameter is preferably a time duration and / or a temperature gradient between the battery cells or in the fluid and / or an expected temperature increase of the battery cells due to an expected charge or discharge current.

Die Zeitdauer als Parameter kann dabei beispielsweise vorab festgelegt werden, so dass sich ein periodisches Umschalten der Strömungsrichtung ergibt. Vorzugsweise kann dann die Zeitdauer in Abhängigkeit eines weiteren Parameters verändert werden. Dabei sei angemerkt, dass die Zeitdauer der beiden Strömungsrichtungen nicht gleich sein muss.The time duration as a parameter can be set in advance, for example, so that there is a periodic switching of the flow direction. Preferably, the time duration can then be changed as a function of a further parameter. It should be noted that the duration of the two flow directions need not be equal.

Ein weiterer möglicher Parameter, in dessen Abhängigkeit die Umschaltung erfolgt, ist der Temperaturgradient zwischen den Batteriezellen selbst. Dabei kann vorgesehen sein, dass bei Überschreitung eines Schwellwertes für den Temperaturgradienten eine Umschaltung der Strömungsrichtung erfolgt. Dabei kann vorgesehen sein, dass diese Strömungsrichtung dann solange beibehalten wird, bis ein weiterer Schwellwert unterschritten ist oder der Temperaturgradient Null ist oder ein negativer Schwellwert unterschritten ist. Letzteres hat den Vorteil, dass die Häufigkeit der Umschaltung reduziert wird.Another possible parameter, in dependence of which the switching takes place, is the temperature gradient between the battery cells themselves. It can be provided that, when a threshold value for the temperature gradient is exceeded, the flow direction is switched over. It can be provided that this flow direction is then maintained until a further threshold value is exceeded or the temperature gradient is zero or a negative threshold value is exceeded. The latter has the advantage that the frequency of switching is reduced.

Ein weiterer möglicher Parameter ist ein Temperaturgradient des Fluids, also beispielsweise die Temperaturdifferenz des Fluids zwischen der ersten Batteriezelle stromaufwärts und der letzten Zelle stromabwärts. Aus dieser Temperaturdifferenz kann auf den Temperaturgradienten der Batteriezellen zurückgeschlossen werden. Dies ist insbesondere dann von Interesse, wenn die direkte Messung der Temperatur an den Batteriezellen nicht möglich bzw. technisch aufwendig ist.Another possible parameter is a temperature gradient of the fluid, for example the temperature difference of the fluid between the first battery cell upstream and the last cell downstream. From this temperature difference can be deduced the temperature gradient of the battery cells. This is of particular interest if the direct measurement of the temperature at the battery cells is not possible or technically complicated.

Ein weiterer Parameter ist eine erwartete Temperaturerhöhung der Batteriezellen aufgrund eines erwarteten Lade- oder Entladestromes. Beispielsweise kann mittels der Daten einer digitalen Straßenkarte anhand des Streckenprofils die motorische Belastung geschätzt werden. Entsprechend kann eine erwartete Temperaturerhöhung berechnet werden und die Klimatisierung angepasst werden, indem frühzeitig die Strömungsrichtung umgeschaltet wird und/oder die Strömungsgeschwindigkeit erhöht wird.Another parameter is an expected increase in temperature of the battery cells due to an expected charge or discharge current. For example, by means of the data of a digital road map on the basis of the route profile, the motor load can be estimated. Accordingly, an expected temperature increase can be calculated and the air conditioning adjusted by early switching the flow direction is and / or the flow rate is increased.

Das Mittel zur Umkehrung der Strömungsrichtung ist vorzugsweise als in ihrer Pumprichtung umschaltbare Pumpe und/oder als Ventilanordnung ausgebildet. Dabei sei angemerkt, dass unter Pumpe allgemein jede geeignete Vorrichtung zur Erzeugung einer Strömung in den Kühlkanal verstanden wird, wie beispielsweise ein Kompressor. Bei der Ausbildung des Mittels als Ventilanordnung kann die Pumpe als unidirektionale Pumpe ausgebildet sein, die dann immer in eine Richtung pumpt, wobei an einem Verzweigungspunkt durch die Ventile das Fluid in unterschiedliche Teilkanäle lenkbar ist, so dass je nach Wahl des Teilkanals die Strömungsrichtung an den Batteriezellen entlang geändert werden kann. Der Vorteil der einfachen Pumpe wird dabei durch die etwas komplexere Kanalführung und die Ventilanordnung erkauft.The means for reversing the flow direction is preferably designed as a pump switchable in its pumping direction and / or as a valve arrangement. It should be noted that the pump is generally understood to mean any suitable device for generating a flow in the cooling channel, such as a compressor. When forming the means as a valve assembly, the pump may be formed as a unidirectional pump, which then always pumps in one direction, wherein at a branch point through the valves, the fluid is diverted into different sub-channels, so that depending on the choice of the sub-channel, the flow direction of the Battery cells can be changed along. The advantage of the simple pump is paid for by the somewhat more complex ducting and the valve arrangement.

Weiter sei angemerkt, dass die Homogenisierung des Temperaturgradienten über den Batteriezellen nicht nur bei der Kühlung angewendet werden kann, sondern auch bei deren Erwärmung, beispielsweise im Winter, um die Batteriezellen auf eine Mindestbetriebstemperatur zu erwärmen.It should also be noted that the homogenization of the temperature gradient over the battery cells can be used not only in the cooling, but also during their heating, for example in winter, to heat the battery cells to a minimum operating temperature.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die einzige Figur zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Batteriesystems.The invention will be explained in more detail below with reference to a preferred embodiment. The single FIGURE shows a schematic block diagram of a battery system.

Das Batteriesystem 1 umfasst n Batteriezellen BZ1–BZn sowie eine Pumpe 2 mit angeschlossenem Kühlkanal 3. In dem Kühlkanal 3 ist ein Fluid 4, das durch die Pumpe 2 in Strömung versetzt wird. Weiter umfasst das Batteriesystem 1 einen Wärmetauscher 5 und ein der Pumpe 2 zugeordnetes Steuergerät 6. Die Pumpe 2 ist derart ausgebildet, dass diese ihre Pumprichtung bzw. die Strömungsrichtung des Fluids 4 umkehren kann, was durch den durchgezogenen Pfeil und den gestrichelten Pfeil symbolisiert ist. Die Batteriezellen BZ1–BZn sind thermisch mit dem Kühlkanal 3 gekoppelt, so dass das vorbeiströmende Fluid Verlustwärme der Batteriezellen BZ1–BZn aufnehmen kann. Während des Vorbeiströmens erwärmt sich daher das Fluid 4. Die vom Fluid 4 aufgenommene Wärme kann dann mittels des Wärmetauschers 5 an ein anderes Medium abgeführt werden.The battery system 1 includes n battery cells BZ1-BZn and a pump 2 with connected cooling channel 3 , In the cooling channel 3 is a fluid 4 that by the pump 2 is added in flow. Further includes the battery system 1 a heat exchanger 5 and one of the pump 2 associated control unit 6 , The pump 2 is formed such that these are their pumping direction and the flow direction of the fluid 4 can reverse, which is symbolized by the solid arrow and the dashed arrow. The battery cells BZ1-BZn are thermal with the cooling channel 3 coupled, so that the passing fluid can absorb heat loss of the battery cells BZ1-BZn. As the fluid flows through, therefore, the fluid heats up 4 , The of the fluid 4 absorbed heat can then by means of the heat exchanger 5 be discharged to another medium.

Dabei sei nun angenommen, dass die eingestellte Strömungsrichtung dem durchgezogenen Pfeil entspricht. Dann ist das Fluid 4 stromaufwärts an der Batteriezelle BZ1 noch am kühlsten und an der letzten Batteriezelle BZn stromabwärts am wärmsten. Entsprechend können die Batteriezellen BZ1–BZn stromabwärts immer weniger Verlustwärme an das Fluid 4 abgeben. Dies hat einen Temperaturgradienten zwischen den Batteriezellen BZ1–BZn zur Folge, d. h. die Temperatur TBZn der Batteriezelle BZn ist höher als die Temperatur TBZ1 der Batteriezelle BZ1. Es versteht sich, dass zwischen allen Batteriezellen BZ1–BZn sich ein Temperaturgradient aufbaut, wobei dieser jedoch über der ersten und letzten Batteriezelle am größten ist. Wenn nun nachfolgend das Verfahren anhand dieser beiden Batteriezellen erläutert wird, ist dies nicht einschränkend zu verstehen, da auch die Temperaturgradienten zwischen anderen Batteriezellen ausgewertet werden können.It is now assumed that the set flow direction corresponds to the solid arrow. Then the fluid 4 Still the coolest upstream of the battery cell BZ1 and the warmest downstream of the last battery cell BZn. Accordingly, the battery cells BZ1-BZn downstream less and less loss of heat to the fluid 4 submit. This results in a temperature gradient between the battery cells BZ1-BZn, ie the temperature T BZn of the battery cell BZn is higher than the temperature T BZ1 of the battery cell BZ1. It is understood that a temperature gradient builds up between all battery cells BZ1-BZn, but this is greatest across the first and last battery cell. Now, if the method is explained below with reference to these two battery cells, this is not to be understood as limiting, since the temperature gradients between other battery cells can be evaluated.

Die Temperaturen TBZ1 der ersten Batteriezelle BZ1 und TBZn der n-ten Batteriezelle BZn werden dem Steuergerät 6 zugeführt. Das Steuergerät 6 berechnet einen Temperaturgradienten ΔT = TBZn – TBZ1. Übersteigt ΔT einen vorgegebenen Grenzwert ΔTgrenz, so schaltet das Steuergerät 6 die Pumprichtung um, so dass die Strömungsrichtung dem gestrichelten Pfeil entspricht. Entsprechend ist nun das Fluid 4 an der n-ten Batteriezelle BZn kälter als an der ersten Batteriezelle BZ1, so dass der Temperaturgradient ΔT abgebaut wird. Ist der Temperaturgradient ΔT Null oder negativ, so kann die Strömungsrichtung der Pumpe 2 wieder umgeschaltet werden. Des Weiteren kann das Steuergerät 6 in Abhängigkeit der absoluten Temperatur TBZ1 oder TBZn die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids 4 verändern und die Pumpgeschwindigkeit erhöhen.The temperatures T BZ1 of the first battery cell BZ1 and T BZn of the nth battery cell BZn are the control unit 6 fed. The control unit 6 calculates a temperature gradient ΔT = T BZn - T BZ1 . If ΔT exceeds a predetermined limit ΔT limit , the control unit switches 6 the pumping direction, so that the flow direction corresponds to the dashed arrow. Accordingly, the fluid is now 4 at the nth battery cell BZn colder than at the first battery cell BZ1, so that the temperature gradient .DELTA.T is reduced. If the temperature gradient ΔT is zero or negative, then the flow direction of the pump 2 be switched again. Furthermore, the control unit 6 depending on the absolute temperature T BZ1 or T BZn the flow velocity of the fluid 4 change and increase the pumping speed.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Batteriesystembattery system
22
Pumpepump
33
Kühlkanalcooling channel
44
Fluidfluid
55
Wärmetauscherheat exchangers
66
Steuergerätcontrol unit
BZ1–BZnBZ1 BZn
Batteriezellenbattery cells
TBZ1 T BZ1
Temperatur der Batteriezelle BZ1Temperature of the battery cell BZ1
TBZn T BZn
Temperatur der Batteriezelle BZnTemperature of the battery cell BZn
ΔT.DELTA.T
Temperaturgradienttemperature gradient
ΔTgrenz ΔT border
Grenzwertlimit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • WO 2008/156737 A1 [0003] WO 2008/156737 A1 [0003]
  • WO 2009/029138 A2 [0003] WO 2009/029138 A2 [0003]

Claims (8)

Batteriesystem, umfassend mindestens eine Batteriezelle und mindestens einen Kühlkanal mit einem Fluid, das den Kühlkanal durchströmt, wobei das Fluid durch mindestens eine Pumpe in Strömung versetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriesystem (1) mindestens ein Mittel zur Umkehrung der Strömungsrichtung in den Kühlkanal (3) umfasst.Battery system, comprising at least one battery cell and at least one cooling channel with a fluid which flows through the cooling channel, wherein the fluid is caused to flow by at least one pump, characterized in that the battery system ( 1 ) at least one means for reversing the flow direction in the cooling channel ( 3 ). Batteriesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Mittel ein Steuergerät (6) zugeordnet ist, das in Abhängigkeit mindestens eines Parameters die Strömungsrichtung umschaltet.Battery system according to claim 1, characterized in that the means a control unit ( 6 ), which switches the flow direction as a function of at least one parameter. Batteriesystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Parameter eine Zeitdauer und/oder ein Temperaturgradient (ΔT) zwischen den Batteriezellen (BZ1–BZn) oder in dem Fluid (4) und/oder eine erwartete Temperaturerhöhung der Batteriezellen (BZ1–BZn) aufgrund eines erwarteten Lade- oder Entladestromes ist.Battery system according to claim 2, characterized in that the parameter a time duration and / or a temperature gradient (.DELTA.T) between the battery cells (BZ1-BZn) or in the fluid ( 4 ) and / or an expected temperature increase of the battery cells (BZ1-BZn) due to an expected charge or discharge current. Batteriesystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Umkehrung der Strömungsrichtung als in ihrer Pumprichtung umschaltbare Pumpe (2) ausgebildet ist und/oder das Mittel zur Umkehrung der Strömungsrichtung als Ventilanordnung ausgebildet ist.Battery system according to one of the preceding claims, characterized in that the means for reversing the flow direction as in its pumping direction switchable pump ( 2 ) is formed and / or the means for reversing the flow direction is designed as a valve arrangement. Verfahren zur Klimatisierung eines Batteriesystems mit mindestens einer Batteriezelle, mittels mindestens eines Kühlkanals mit einem Fluid, das den Kühlkanal durchströmt, wobei das Fluid durch mindestens eine Pumpe in Strömung versetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Mittels zur Umkehrung der Strömungsrichtung die Strömungsrichtung des Fluids (4) im Kühlkanal (3) umgekehrt wird.A method for conditioning a battery system with at least one battery cell, by means of at least one cooling channel with a fluid flowing through the cooling channel, wherein the fluid is caused by at least one pump in flow, characterized in that means of a means for reversing the flow direction, the flow direction of the fluid ( 4 ) in the cooling channel ( 3 ) is reversed. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass dem Mittel ein Steuergerät (6) zugeordnet ist, das in Abhängigkeit mindestens eines Parameters die Strömungsrichtung des Fluids (4) umschaltet.A method according to claim 5, characterized in that the means a control device ( 6 ), which in dependence of at least one parameter, the flow direction of the fluid ( 4 ) switches. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Parameter eine Zeitdauer und/oder ein Temperaturgradient (ΔT) zwischen den Batteriezellen (BZ1–BZn) oder in dem Fluid (4) und/oder eine erwartete Temperaturerhöhung der Batteriezellen aufgrund eines erwarteten Lade- oder Entladestromes ist.Method according to Claim 6, characterized in that the parameter comprises a time duration and / or a temperature gradient (ΔT) between the battery cells (BZ1-BZn) or in the fluid ( 4 ) and / or an expected temperature increase of the battery cells due to an expected charge or discharge current. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Umkehrung der Strömungsrichtung als in ihrer Pumprichtung umschaltbare Pumpe (2) ausgebildet ist und/oder das Mittel zur Umkehrung der Strömungsrichtung als Ventilanordnung ausgebildet ist.Method according to one of claims 5 to 7, characterized in that the means for reversing the flow direction as in its pumping direction switchable pump ( 2 ) is formed and / or the means for reversing the flow direction is designed as a valve arrangement.
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