DE102005017648A1 - Flüssigkeitsgekühlte Batterie und Verfahren zum Betreiben einer solchen - Google Patents

Flüssigkeitsgekühlte Batterie und Verfahren zum Betreiben einer solchen Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine flüssigkeitsgekühlte Batterie, insbesondere als Energiespeicher für einen elektrischen Antrieb in einem Kraftfahrzeug. Die Batterie weist mehrere Speicherzellen 2 und wenigstens ein mit den Speicherzellen 2 in wärmeleitendem Kontakt stehendes Volumen 4 auf, welches von einem Kühlmedium durchströmbar ist. Jede der Speicherzellen 2 hat ein Sicherheitsventil 12, welches ab einem vorgegebenen Mediendruck in der Speicherzelle 2 diese öffnet und das Volumen der Speicherzelle mit der Umgebung verbindet. DOLLAR A Erfindundungsgemäß ist das Sicherheitsventil 12 so in der Speicherzelle 2 und die Speicherzelle 2 so zu dem von dem Kühlmedium durchströmbaren Volumen 4 angeordnet, dass im Falle der Betätigung des Sicherheitsventils 2 eine Verbindung zwischen dem von dem Kühlmedium durchströmbaren Volumen 4 und dem Inneren der Speicherzelle 2 entsteht.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine flüssigkeitsgekühlte Batterie nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art, sowie eine Verfahren zum Betreiben einer flüssigkeitsgekühlten Batterie nach der im Oberbegriff von Anspruch 14 näher definierten Art.
  • Aus der JP 2004 178 909 A ist eine Batterie bekannt, bei welcher die einzelnen Batteriezellen jeweils über ein Sicherheitsventil verfügen. Im Falle eines zu hohen Druck in der jeweiligen Batteriezelle öffnet das Ventil, so dass die aus der jeweiligen Speicherzelle entweichenden Gase an die Umgebung abgeblasen werden. Nachteilig ist es dabei, dass die heißen und ggf. explosiven Gase in die Umgebung der Batterie gelangen und dort evtl. zu Schäden, wie z.B. einem Brand, führen können.
  • Ferner ist aus der JP 10 241 739 A ist ein Speicherzelle einer gekühlten Batterie bekannt, welche ebenfalls über ein ab einer gewissen Grenztemperatur öffnendes Sicherheitsventil und eine Kühlpatrone verfügt. Die Kühlpatrone verfügt auch ihrerseits wieder über ein Sicherheitsventil, welches über das aus dem Sicherheitsventil der Speicherzelle austretende Medium ebenfalls thermisch aktivierbar geöffnet wird. Damit kann eine leichte Abkühlung der austretenden Medien erreicht werden. Aufgrund der vergleichsweise kleinen Menge an Kühlmedium
  • Des weiteren ist es aus der EP 0 476 484 B1 bekannt, dass Speicherzellen einer Batterie nur von zumindest einer Ihrer Stirnseiten aus gekühlt werden.
    •
  • Aufgabe der Erfindung ist es nun, eine Flüssigkeitsgekühlte Batterie, insbesondere als Energiespeicher für einen elektrisch Antrieb in einem Kraftfahrzeug, zu schaffen, welche in einem einen kompakten und leicht zu handhabenden Aufbau gute Betriebseigenschaften ermöglicht und höchsten Anforderungen an die Sicherheit genügt.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Batterie mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.
  • Die erfindungsgemäße Verbindung von Speicherzelle und gesamtem von dem Kühlmedium durchströmbaren Volumen im Falle der Betätigung des Sicherheitsventils durch einen Überdruck in der jeweiligen Speicherzelle, stellt einen erheblichen Sicherheitsvorteil dar. Die aus der jeweiligen Speicherzelle entweichenden Medien, typischerweise Gase, werden in dem Kühlvolumen verteilt, mischen sich dort mit dem Kühlmedium und werden so unschädlich gemacht. Dabei reicht das Öffnen des Sicherheitsventils aus, um einen sicheren Zustand der Batterie herbeizuführen.
  • Das Sicherheitsventil, welches typischerweise als über Sollbruchstellen zu öffnenden Klappe in dem Gehäuse der Speicherzellen ausgebildet sein wird, ist somit als einziges sehr zuverlässiges Bauteil zur Herstellung eines sicheren Zustandes der Batterie im Schadensfalls verantwortlich. Die damit zu erreichende Sicherheit ist sicherlich deutlich höher als bei vergleichbaren Einrichtungen, bei welchen eine Kette von mehreren zum Teil komplexen Bauteilen betätigt werden muss, ehe ein sicherer Zustand erreicht werden kann.
  • Die erfindungsgemäße Batterie stellt somit einen einfachen und kompakt zu realisierenden Aufbau sicher, welcher mit einfachsten passiven Mittel ein sehr hohes Maß an Sicherheit gewährleistet. Insbesondere bei der Anwendung in Kraftfahrzeugen stellt dies einen Erheblichen Vorteil dar.
  • Unter passiv ist dabei zu verstehen, dass die Mittel im Falle des Auftretens des kritischen Zustandes durch die Energie des Zustandes angetrieben selbsttätig reagieren, ohne das eine Sensorik mit anschließender Betätigung auf des Basis eines sensorisch aktiv oder passiv erfassten Wertes erforderlich wäre.
  • Ferner ist es die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben einer flüssigkeitsgekühlten Batterie, insbesondere als Energiespeicher für einen elektrisch Antrieb in einem Kraftfahrzeug, zu schaffen, welches Anforderungen höchsten Anforderungen an die Sicherheit genügt.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Betreiben einer Batterie mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 14 gelöst.
  • Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird im Schadensfall eine durch passive Sicherheitstechnik eine Verbindung von Speicherzelle und gesamtem von dem Kühlmedium durchströmbaren Volumen hergestellt. Die aus der jeweiligen Speicherzelle entweichenden Medien, typischerweise Gase, werden so in dem Kühlvolumen verteilt, mischen sich dort mit dem Kühlmedium und werden so unschädlich gemacht.
    •
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Batterie und des Verfahrens zum Betreiben derselben ergeben sich auch aus den Unteransprüchen und dem nachfolgend anhand der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel.
  • Dabei zeigen:
  • 1 eine dreidimensionale schematische Darstellung der Batterie;
  • 2 eine Draufsicht auf einen Kühler der Batterie;
  • 3 der Kühler der Batterie im Längsschnitt;
  • 4 ein Teil des Kühlers der Batterie mit einer Speicherzelle in Querschnitt;
  • 5 ein schematische Schnittdarstellung einer Speicherzelle mit Anbindung an den Kühler; und
  • 6 die Darstellung gemäß 5 mit geöffnetem Sicherheitsventil.
  • In 1 ist eine Batterie 1 schematisch dargestellt. Die Batterie 1 besteht aus einer Vielzahl von einzelnen Speicherzellen 2, welche in mehreren, hier beispielhaft in zwei Reihen 2a, 2b nebeneinander angeordnet sind. Die beiden Reihen 2a, 2b sind dabei so zueinander versetzt angeordnet, dass jeweils benachbarten Reihen 2a, 2b um die Hälfte des Abstandes der Mittellinien der einzelnen Speicherzellen 2 einer Reihe zueinander verschoben sind. Dadurch kann eine sehr dichte Packung der Reihen 2a, 2b zueinander erreicht werden. Alles in allem entsteht so eine sehr kompakter Aufbau der Batterie 1.
  • Die Batterie wird ferner über einen Kühler 3 gekühlt, welcher ein von Kühlmedium durchströmbares und in bestimmungsgemäßen Gebrauch durchströmtes Volumen 4 (hier nicht zu erkennen) aufweist. Die einzelnen Speicherzellen 2 stehen mit diesem Kühler 3 an jeweils einer ihrer Stirnseiten 5 (hier nicht erkennbar) in wärmeleitenden Kontakt. Diese im bestimmungsgemäßen Gebrauch der Batterie 1 den Boden 5 der Speicherzellen bildende Stirnseite reicht dabei aus, die in der Batterie entstehenden Wärme zuverlässig an des Kühlmedium, typischerweise ein 1:1 Gemisch aus Wasser und Glycol, abzuführen. Dieses Kühlmedium durchströmt den Kühler 3 dabei als Teil eines Kühlkreislaufes und führt die aufgenommene Wärme an einer anderen Stelle des Kühlkreislaufes, z.B. über einen z.B. mit der Umgebung oder einer Klimaanlage gekoppelten Kühlwärmetauscher wieder ab.
  • Die Anordnung des Kühlers 3 in Kontakt mit den Böden 5 der Speicherzellen 2 ermöglicht dabei einen besonders kompakten Aufbau, da zwischen den einzelnen Speicherzellen 2 keine weiteren Elemente vorgesehen werden müssen. Somit kann auch der Kühler sehr klein und in einfacher geometrischer Form ausgebildet werden. Die Batterie 1 wird somit außerordentlich kompakt und kostengünstig in der Herstellung. Außerdem ist die den Böden abgewandte Stirnseite 6 der Speicherzellen 2 frei auch bei in den Kühler 3 montierten Speicherzellen 2 frei zugänglich. Da diese auch als Deckel 6 bezeichnete Stirnseite typischerweise die elektrischen Anschlusselement trägt, kann somit ein einfache und gut zugängliche elektrische Verschaltung der Batterie 1 gewährleistet werden. Üblicherweise tragen die Anschlusselemente außerdem die benötigte Elektronik, Zellüberwachung, Ladezustandsmittlung, Ladungsausgleich etc. diese Bauteile sind somit zwar über den Kontakt mit der Speicherzelle 2 mit dieser zusammen gekühlt, es ist aber, auch in einem eventuellen Schadensfall des Kühlers 3, kaum ein Kontakt der Elektronik mir dem flüssigen Kühlmedium zu befürchten.
  • In 2 und 3 ist der Aufbau des Kühlers 3 sowie das von ihm umschlossene von dem Kühlmedium durchströmbare Volumen 4 zu erkennen. Das Kühlmedium kann dabei durch eine Zuleitung 7 in den Kühler 3 strömen und wird durch eine Ableitung 8 wieder aus dessen Bereich abgeführt. In dem Kühler 3 kann der Volumenstrom des Kühlmediums dann durch hier nicht explizit dargestellt Leitrippen so geführt werden, dass es zu einem Anströmung aller Speicherzellen 2 und damit zu deren Kühlung kommt.
  • Wie es in 4 am Beispiel einer der Speicherzellen 2 exemplarisch erkennbar ist, werden die Speicherzellen 2 in die in 2 gut erkennbaren runden Öffnungen 9 eingebracht. Sie ragen dann mit ihrem Boden 5 in das Volumen 4. Der Boden 5 der jeweiligen Speicherzelle 2 wird so von dem Kühlmedium umströmt und die Speicherzelle 2 somit effizient gekühlt.
  • Die schematische Schnittdarstellung der 5 zeigt die Ausgestaltung des wärmeleitenden Kontakts der Speicherzellen 2 mit dem Kühlmedium nochmals im Detail. Die Speicherzelle 2 weist ein typischerweise becherförmiges Gehäuse 10 auf, welcher meist aus Aluminium gefertigt ist. Dieser Gehäuse 10 kann dabei bereits als einer der elektrischen Pole der Speicherzelle 2 dienen. Es der der Herstellung der Speicherzelle 2 mit einem Verschlusselement im Bereich des Deckels 6 hermetisch dicht verschlossen. Ferner wird dieses Gehäuse 10 vom Bereich seines Bodens 5 her mit einer dünnen Schicht 11 teilweise elektrisch isoliert. Die Schicht 11 ist dabei so dünn zu wählen, dass neben einer ausreichenden elektrischen Isolation dennoch eine ausreichende Wärmeleitung durch sie hindurch gewährleistet ist.
  • Als ein bevorzugtes Material der Schicht 11 können neben Lacken beispielsweise Folien 11 aus PP, PVC oder PET eingesetzt werden. Derartige Folien 11, mit einer Schichtstärke von 50–500 μm, können mittels Tiefziehverfahren von der Seite des Bodens 5 aus teilweise über das Gehäuse 10 gezogen werden. Sie bedecken dann den unteren Teil (ca. 1/4 bis 1/3) des Gehäuses 10 formschlüssig. Die Folie 11 ist dabei in sich dicht, so dass sie den mit dem Kühlmedium in Kontakt kommenden Boden 5 vollkommen gegen dieses Kühlmedium abdichtet. Zusätzlich wäre auch ein Verkleben der Folien 11 mit dem Gehäuse 10 denkbar. Als bevorzugte Stellen um den Kleber aufzubringen sind dabei die Seitenwände des Gehäuses 10 zu sehen, da so durch den Kleber die wärmeleitenden Eigenschaften zwischen dem Boden 5 des Gehäuses 10 und dem im Volumen 4 befindlichen Kühlmedium nicht beeinträchtigt werden.
  • Das mit der Schicht 11 versehene Gehäuse 10 kann dann in die Öffnung 9 eingesetzt werden. Bevorzugt sind die Abmessungen so ausgebildet, das es dabei zu einer über alle denkbaren Betriebstemperaturen dichte Presspassung der Speicherzelle 2 in der Öffnung 9 kommt. Zusätzlich könnte ein Kleber eingesetzt werde, wobei auch hier aus den dargelegten gründen als bevorzugte Stellen um den Kleber aufzubringen die Flächen auf der Schicht 11 im Bereich der Seitenwände des Gehäuses 10 zu sehen sind. Der Kühler wird somit durch die eingesetzten Speicherzellen 2 gegenüber der Umgebung abgedichtet.
  • Jede der Speicherzellen 2, beispielsweise ein Li-Ionen-Speicher, weist außerdem in an sich bekannter Weise ein Sicherheitsventil 12 auf. Die Aufgabe dieses Sicherheitsventils 12 liegt nun darin, die Speicherzelle 2 im Schadensfall vor der Explosion durch Überdruck zu bewahren. Das Sicherheitsventil 12 öffnet dazu ab einem vorgegebenen Innendruck das ansonsten dicht verschlossene Gehäuse 11 der Speicherzelle 2.
  • In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel des Sicherheitsventils 12 ist dieses als im oben dargelegten Sinne passives Bauelement durch Sollbruchstellen 13 in dem Gehäuse 10 geschaffen. Kommt es nun zu einem Überdruck in der Speicherzelle 2, so wird das Gehäuse 10 entlang der Sollbruchstellen 13 aufbrechen, wie des in 6 dargestellt ist. Die dünne Schicht 11 stellt dabei keinen wesentlichen Widerstand für das Aufbrechen des Gehäuses 10 dar. Im Falle einer Folie 11 wird diese ebenfalls mit aufgerissen, ggf. noch unterstützt durch im Bereich der Sollbruchstellen 13 entstehende scharfe Kanten des Materials des Gehäuses 10. Es entsteht somit eine Öffnung 14 in dem Gehäuse 10 durch, welche insbesondere Gase aus der Speicherzelle 2 entweichen können. Der in der Speicherzelle 2 befindliche Überdruck wird so abgebaut und eine Explosion der defekten Speicherzelle 2, welche eine Kettenreaktion mit den weiteren Speicherzellen 2 der Batterie 1 auslösen könnte, wird somit wirksam vermieden.
  • Besonders günstig ist es dabei, dass die Öffnung 14 im Bereich des Bodens 5 der Speicherzelle 2 entsteht. Die aus der defekten Speicherzelle 2 austretenden Gase, welche typischerweise sehr heiß sind und häufig die Gefahr eines Batteriebrandes verursachen, können so sehr schnell abgekühlt und unschädlich gemacht werden, da sie direkt ins Kühlmedium abgegeben werden (vgl. Pfeil A in 6)
  • Somit entsteht auf der Basis passiver Sicherheitselemente eine außerordentlich kompakte, sehr sicherere und dabei kostengünstige Batterie. Insbesondere für den Einsatz in Kraftfahrzeugen, welche bei wenig Bauraum hohe Sicherheitsanforderungen verlangen ist eine derartige Batterie 1 sehr gut geeignet. Aufgrund der hohen Stückzahlen im Bereich der Kraftfahrzeuge ist auch der vergleichsweise einfache und kostengünstige Aufbau von besonderem Vorteil.

Claims (14)

  1. Flüssigkeitsgekühlte Batterie, insbesondere als Energiespeicher für einen elektrisch Antrieb in einem Kraftfahrzeug, mit mehreren Speicherzellen und wenigstens einem mit den Speicherzellen in wärmeleitendem Kontakt stehenden Volumen, welches von einem Kühlmedium durchströmbar ist, wobei jede der Speicherzellen ein Sicherheitsventil aufweist, welches ab einem vorgegebenen Mediendruck in der Speicherzelle diese öffnet und das Volumen der Speicherzelle mit der Umgebung verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherheitsventile (12) so in den Speicherzellen (2) angeordnet sind, dass im Falle des Öffnens eines der Sicherheitsventile (2) eine Verbindung zwischen dem von dem Kühlmedium durchströmbaren Volumen (4) und dem Inneren der Speicherzelle (29) mit dem geöffneten Sicherheitsventil (12) entsteht.
  2. Flüssigkeitsgekühlte Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherheitsventile (12) der Speicherzellen (2) jeweils auf einer der Stirnseiten (5) der – insbesondere zylindrisch ausgebildeten – Speicherzellen (2), angeordnet sind, wobei diese Stirnseite (5) mit dem von dem Kühlmedium durchströmbaren Volumen (4) in wärmeleitendem Kontakt steht.
  3. Flüssigkeitsgekühlte Batterie nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Anschlusselemente der Speicherzellen (2) jeweils auf einer der Stirnseiten (6) der – insbesondere zylindrisch ausgebildeten – Speicherzellen (2) angeordnet sind, wobei die Sicherheitsventile (12) auf der gegenüberliegenden Stirnseite (5) angeordnet sind.
  4. Flüssigkeitsgekühlte Batterie nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die das Sicherheitsventil (12) aufweisende Stirnseite (5) der Speicherelemente (2) samt des Sicherheitsventils (12) mit einer flüssigkeitsdichten Folie (11) überzogen sind und zumindest teilweise in das von dem Kühlmedium durchströmbare Volumen (4) ragen.
  5. Flüssigkeitsgekühlte Batterie nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die flüssigkeitsdichte Folie (11) durch tief ziehen auf die Speicherzellen (2) aufgebracht ist.
  6. Flüssigkeitsgekühlte Batterie nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die flüssigkeitsdichte Folie (11) mit der Speicherzelle (2) verklebt ist.
  7. Flüssigkeitsgekühlte Batterie nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereiche mit der Verklebung außerhalb der Bereiche liegen, welche mit dem von dem Kühlmedium durchströmbaren Volumen (4) in wärmeleitendem Kontakt stehen.
  8. Flüssigkeitsgekühlte Batterie nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die flüssigkeitsdichte Folie (11) eine Sichtstärke von 50 bis 500 μm aufweist.
  9. Flüssigkeitsgekühlte Batterie nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die flüssigkeitsdichte Folie (11) aus einem der Materialien PP, PVC oder PET besteht.
  10. Flüssigkeitsgekühlte Batterie nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die das Sicherheitsventil (12) aufweisende Stirnseite (5) der Speicherelemente (2) samt des Sicherheitsventils (12) mit einer flüssigkeitsdichten Schicht (11) aus einem Lack überzogen sind und zumindest teilweise in das von dem Kühlmedium durchströmbare Volumen (4) ragen.
  11. Flüssigkeitsgekühlte Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherzellen (2) zylindrisch ausgebildet und in wenigstens zwei Reihen (2a, 2b) zueinander versetzt nebeneinander angeordnet sind, wobei die Kühlung durch den wärmeleitenden Kontakt jeweils einer der Stirnseiten (5) der Speicherzellen (2) mit dem von dem Kühlmedium durchströmbaren Volumen (4) realisiert ist.
  12. Flüssigkeitsgekühlte Batterie nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das von dem Kühlmedium durchströmbare Volumen (4) Leitrippen aufweist, welche eine Anströmung aller mit den Speicherzellen (2) in wärmeleitenden Kontakt stehenden Bereiche gewährleistet.
  13. Flüssigkeitsgekühlte Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das von dem Kühlmedium durchströmbare Volumen (4) von einem Kühler (3) mit einem Zu- und einer Ableitung (7, 8) für das Kühlmedium umgeben ist, welcher Öffnungen (9) aufweist, in welchen die Speicherzellen (2) so angeordnet sind, dass das Volumen (4) dicht abgeschlossen ist.
  14. Verfahren zum Betreiben einer flüssigkeitsgekühlten Batterie, insbesondere als Energiespeicher für einen elektrisch Antrieb in einem Kraftfahrzeug, mit mehreren Speicherzellen und wenigstens einer mit den Speicherzellen in wärmeleitenden Kontakt stehenden Volumen, welches von einem Kühlmedium durchströmt wird, wobei im Falle eines auf einer Störung basierenden Druckanstieges in jeder der der Speicherzelle ab einem vorgegebnen Grenzdruck eine Sicherheitsventil geöffnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass beim Öffnen des Sicherheitsventils eine Verbindung zwischen dem von dem Kühlmedium durchströmten Volumen und der Speicherzelle hergestellt wird, so dass der Überdruck in die Kühlflüssigkeit entweichen kann.
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