DE102007012893A1 - Batteriekühler - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für Batterien mit Speicherzellen, die in einem Batteriekasten untergebracht sind und eine Kühleinrichtung zum Kühlen der Zellen aufweist. Zur bedarfsgerechten Kühlung wird vorgeschlagen, dass die Kühlvorrichtung einen Luftwärmetauscher, einen Flüssigkeitskühler und ein 3-Wege-Ventil zum bedarfsweisen Umschalten zwischen diesen beiden Kühlern umfasst.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein kombiniertes externes Kühlmodul für Batterieflüssigkühler mit chemischem Speicher, genannt Zellen. Sie bezieht sich also auf die Kühlung eines elektrochemischen Energiespeichers mit Speicherzellen, der im folgenden ohne Beschränkung der Allgemeinheit als Batterie bezeichnet wird.
  • Die Erfindung betrifft ein kombiniertes externes Kühlmodul für einen selbsttragenden Batterieflüssigkühler mit elektrochemischem Energiespeicher, wie er aus den gattungsbildend zugrunde gelegten deutschen Patentanmeldungen P033324/DE/1, P800902/DE/1, P804481/DE/1, P808485/DE/1, P808667/DE/1 hervorgeht.
  • Nach dem Stand der Technik muss die bei Ladung und Entladung in den Zellen von Lithium-Ionen-Batterien (z.B. für Hybridantriebe oder Brennstoffzellen-Fahrzeuge) entstehende Wärme durch eine Kühlung abgeführt werden. Wegen der maximal zulässigen Zelltemperatur von ca. 50 °C wird die Kühlung über den Klimakreislauf des Fahrzeugs oder eine spezielle Kühleinrichtung vorgenommen.
  • In der Patentanmeldung P804481/DE/1 wird in 29 und 30 ein externer Kühlkreislauf erfindungsmäßig dargestellt. Die 30 zeigt in einer Seitenansicht einen Ausgleichbehälter 52 mit einer Vorlaufleitung 53 zur Wasserpumpe 51. Von der Wasserpumpe 51 aus geht eine Verbindung 54 zu dem externen Kühler 50 mit den Axiallüftern. Vom externen Kühler 50 geht eine Verbindung 55 (Vorlauf) zum Batteriekasten 38. Der Rücklauf vom Batteriekasten 38 geht über eine Verbindung 56 zu dem Ausgleichbehälter 52.
  • Wie bereits in der Patentanmeldung P804481/DE/1 offenbart wird, wird die Zuluft zum Teil von der Innenraumentlüftung aus, die normalerweise seitlich links und rechts als Zwangsentlüftung ins Freie geführt wird, den externen Kühlkreislauf 50 mit dem Axiallüfter zugeführt.
  • Zwar wird hier bei der normalen Außentemperatur eine ausreichende Abführung der Verlustwärme über das Kühlmodul 30 mit den Axiallüftern erreicht, jedoch bei extrem hohen Außentemperaturen wird nicht gewährleistet, dass die maximale Verlustwärme aus dem Energiespeicher abgeführt werden kann. Nachdem der chemische Energiespeicher mit mehreren Zellen angeordnet ist und die Lebensdauer der einzelnen Zellen von der Temperierung abhängig ist, muss der Energiespeicher bei sehr hohen Außentemperaturen die Leistung reduziert werden, da sonst die Zellen über die zulässige Temperatur ansteigen. Dies ist hier als Nachteil, da der chemische Energiespeicher nicht die volle Leistung zur Verfügung stellt.
  • Um den elektrischen Energiespeicher die volle Verlustwärme auch bei sehr hohen Außentemperaturen abführen zu können, wurde in der Patentanmeldung P804481/DE/1 eine weitere Erfindung für den externen Kühlkreislauf offenbart, und zwar eine direkte Anbindung an die vorhandene Klimaanlage im Fahrzeug. In diesem Fall wäre der externe Kühler 50 mit dem Axiallüfter ersetzt.
  • Die 31 aus der Patentanmeldung P804481/DE/1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Ausführung mit einem externen Kühlkomponentenaufbau mit einem Kühlkomponentenhalter 57, einem Wärmetauscher/Verdampfer 58, einem Expansionsventil 59 und einer Wasserpumpe 60.
  • Eine weitere Ausführung wie die Patentanmeldung P804481/DE/1 zeigt die 35 eine perspektivische Ansicht des Ausgleichbehälters 52 mit einer spiralförmigen Kühlleitung 62 im Ausgleichbehälter 52. Die Verbindung geht direkt vom Ausgleichbehälter 52 zur Wasserpumpe 60 und von da aus in die Batteriekühlung 38 und als Rücklauf von der Batteriekühlung 38 zum Ausgleichbehälter 52 zurück.
  • Auch bei dieser Ausführung, die Anbindung direkt an der Klimaanlage, stehen auch hier Nachteile entgegen. Zwar wird hier bei diesen Ausführungen bei sehr hohen Außentemperaturen die volle Verlustwärme abgeführt, so dass bei den galvanischen Zellen nicht die zulässige Temperatur überschritten wird und so wird auch eine hohe Lebensdauer der Zellen erzielt.
  • Nachteil bei dieser Ausführung ist jedoch, dass der elektrochemische Energiespeicher auch bei niedrigen Außentemperaturen, sogar bei Minustemperaturen muss hier die Verlustwärme abgeführt werden. So muss die Klimaanlage auch in diesen Temperaturbereichen immer im Einsatz sein. Gerade bei Temperaturen im Minusbereich arbeitet die Klimaanlage in sehr schlechtem Wirkungsgrad.
  • Aus dem Dokument DE 10 2004 021 280 B3 ist eine Vorrichtung zum Batteriekühlen bekannt, bei der ein Kühlluftvolumenstrom teilweise in dem Gehäuse zirkuliert und teilweise von außerhalb des Gehäuses angesaugt und nach außerhalb des Gehäuses abgegeben wird.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein kombinierbares externes Kühlmodul zu entwickeln, das die Nachteile des externen Kühlers mit Axiallüfter sowie den externen Kühlkreislauf mit der direkten Anbindung an die Klimaanlage wegnimmt.
  • Aufgabe der Erfindung ist, ein externes Kühlmodul zu entwickeln, das je nach Bedarf (bei hohen Außentemperatur bzw. bei tiefen Außentemperaturen) wahlweise zum Einsatz kommt und somit dem chemischen Energiespeicher die optimale Temperierung der einzelnen Zellen gewährleistet ist. Bei dem elektrochemischen Energiespeicher kann es sich insbesondere um Ni/MeH als auch um Li-lon-Zellen handeln.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung mit zugehörigen Zeichnungen.
  • Eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung zum Kühlen eines elektrochemischen Energiespeichers, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batterie oder Nickel-Metallhydrid-Batterie, mit Speicherzellen, die in einem Batteriekasten untergebracht sind, der eine Kühleinrichtung zum Kühlen der Zellen aufweist, weist also die Besonderheit auf, dass sie einen Luftwärmetauscher zum Abgeben von Abwärme an die Umgebungsluft, der außerhalb des Batteriekastens angeordnet ist, einen Flüssigkeitskühler zum Abgeben von Abwärme an eine Kühlflüssigkeit und ein 3-Wege-Ventil zum bedarfsweisen Umschalten der Abwärmeabgabe durch den Luftwärmetauscher oder durch den Flüssigkeitskühler umfasst.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand in den Figuren dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die darin beschriebenen Besonderheiten können einzeln oder in Kombination miteinander eingesetzt werden, um bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung zu schaffen.
  • Dabei zeigen:
  • 1 eine perspektivische Ansicht eines Batteriekastens mit integriertem Batterieflüssigkühler wie in den Patentanmeldungen P808485/DE/1 und P808667/DE/1 mit 104 Li-Ion-Zellen mit einer Leistung von ca. 150 kW.
  • 2 eine Draufsicht aus 1.
  • 3 eine weitere Rückansicht aus 2.
  • 4 eine perspektivische Ansicht des kombinierbaren externen Kühlmoduls.
  • 5 eine Rückansicht mit den kombinierten externen Kühlkomponenten.
  • 6 eine Draufsicht des kombinierbaren externen Kühlkomponentenaufbaus.
  • 7 eine weitere perspektivische Ansicht einer Ausführung eines Batterieaufbaus mit integriertem Flüssigkeitskühler wie in den Patentanmeldungen P804471/DE/1 und P808485/DE/1 und P808667/DE/1 mit 200 Li-lon-Zellen mit einer Leistung von ca. 250 kW und den externen Kühlkomponenten dargestellt für einen Hybrid Bus.
  • Die 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Batteriekastens mit integriertem Batterieflüssigkühler wie in den Patentanmeldungen P808485/DE/1 und P808667/DE/1 mit 104 Li-Ion-Zellen mit einer Leistung von ca. 150 kW. Man erkennt den Batteriekasten 1.10 mit dem integrierten Batteriekühler und Li-Ion-Zellen sowie den Aufbau des externen Kühlmoduls 1.20 mit Axiallüftern. Ein 3-Wege-Ventil 1.30 dient zur wahlweise Ansteuerung. Dargestellt ist ferner die Ansicht einer Ausführung 1.40 mit einem externen Kühlkomponentenaufbau mit der direkten Anbindung an die Klimaanlage und ein Ausgleichsbehälter 1.60.
  • Die 2 zeigt zusätzlich eine Draufsicht aus 1 mit einem Batteriekasten 2.10 mit dem integrierten Batteriekühler und Li-Ion-Zellen und den Aufbau des externen Kühlmoduls 2.20 mit Axiallüftern. Ein 3-Wege-Ventil 2.30 dient zur wahlweise Ansteuerung und die Ansicht 2.40 einer Ausführung mit einem externen Kühlkomponentenaufbau mit der direkten Anbindung an die Klimaanlage.
  • Die 3 zeigt eine weitere Rückansicht aus 2.
  • Die 4 zeigt eine perspektivische Ansicht des kombinierbaren externen Kühlmoduls, umfassend den Aufbau 4.20 des externen Kühlmoduls mit Axiallüfter, das 3-Wege-Ventil 4.30, den Aufbau 4.40 des externen Kühlkomponenten mit der direkten Anbindung an die Klimaanlage, den Wärmetauscher/Verdampfer 4.45, ein Expansionsventil 4.55 und einen Ausgleichsbehälter 4.60.
  • Die 5 zeigt eine Rückansicht mit den kombinierten externen Kühlkomponenten. Man erkennt einen externen Kühler mit Axiallüfter 5.20, ein 3-Wege-Ventil 5.30, einen Wärmetauscher/Verdampfer 5.45, eine Wasserpumpe 5.50, ein Expansionsventil 5.55 und einen Ausgleichsbehälter 5.60.
  • Die 6 zeigt eine Draufsicht des kombinierbaren externen Kühlkomponentenaufbaus. Man erkennt den externen Kühler 6.20, den Axiallüfter 6.25, das 3-Wege-Ventil 6.30, einen Wärmetauscher/Verdampfer 5.45, eine Wasserpumpe 6.50 und ein Expansionsventil 6.55.
  • Wie in der Patentanmeldung P804481/DE/1 Batterieflüssigkühler sowie bei den Patentanmeldungen P808485/DE/1 und P808667/DE/1 des Batteriekühlers bei dem Fertigungsverfahren Tiefziehen und Heisspressverschweissung für galvanische Zellen wird der Gradient des Wärmeübergang vom Kühlmedium zur Zellwand sehr optimal ausgelegt, so dass die Temperierung der einzelnen Zellen untereinander homogen gewährleistet sind.
  • Gerade durch den optimalen Wärmeübergang vom Kühlmedium zur Zellwand ist es gewährleistet, dass die externe Kühlung mit dem externen Kühler mit Axiallüfter wie in der Patentanmeldung P804481/DE/1 beschrieben wird, kann die Kühlung bei den Außentemperaturen so lange betrieben werden, bis die zulässige Zellmanteltemperatur überschritten wird.
  • Sobald die zulässige Zellmanteltemperatur überschritten wird, wird über das 3-Wege-Ventil der externe Kühler mit den Axiallüftern der Kreislauf geschlossen und der Kreislauf mit dem externen Kühlkomponentenaufbau mit der direkten Anbindung an die Klimaanlage freigegeben.
  • Wie in 1 bis 6 dargestellt wird, erfolgt zunächst die externe Kühlung über den Kühler mit den Axiallüftern direkt über die Zuluft der Außentemperatur sowie über die Zwangsentlüftung vom Innenraum, wie sie in der Patentanmeldung P804481/DE/1 beschrieben wird.
  • Vom Ausgleichbehälter 1.60 über die Vorlaufleitung 1.61 zur Wasserpumpe 1.50 von der Wasserpumpe 1.50 aus geht eine Verbindung 1.62 mit der Abzweigung 1.63 und von der Abzwei gung 1.63 eine Verbindung 1.64 direkt in den externen Kühler 1.20 mit den Axiallüftern, von dem Kühler 1.20 geht eine Verbindung 1.66 zum Eingang 3-Wege-Ventil 1.30 und vom Ausgang 3-Wege-Ventil 1.30 eine Verbindung 1.68 und 1.69 in den Batteriekasten 1.10 in den darin integrierten Batterieflüssigkühler wie in der Patentanmeldung P804481/DE/1 und der Patentanmeldung P808485/DE/1, P808667/DE/1 beschrieben sind und der Rücklauf über die Verbindung 1.70 zurück zum Ausgleichsbehälter 1.60.
  • Erst wenn die externe Kühlung mit dem Kühler 1.20 mit den Axiallüftern 2.25 nicht mehr ausreicht, so dass die zulässige Zellmanteltemperatur überschritten wird, wird über das 3-WegeVentil 2.30 der Kreislauf über die Verbindung 1.64 des Kühlers 1.20 mit den Axiallüftern gesperrt, die Axiallüfter werden weggeschaltet und die externe Klimaanlage wird zugeschaltet, so dass der externe Kühler 1.20 mit den Axiallüftern außer Betrieb gesetzt wird.
  • Nun sind die externen Kühlkomponenten 1.40 mit der direkten Anbindung an die Klimaanlage in Betrieb.
  • Vom Ausgleichbehälter 1.60 über die Vorlaufleitung 1.61 zur Wasserpumpe 1.50 und von der Wasserpumpe 1.50 über die Verbindung 1.62 mit der Abzweigung 1.63 eine Verbindung 1.65 zu dem Wärmetauscher/Verdampfer 1.45 und vom Verdampfer 1.45 über die Vorlaufleitung 1.67 in den Eingang 3-Wege-Ventil 1.30 und über den Ausgang 3-Wege-Ventil 1.30 die Verbindung 1.68 und 1.69 in den Batteriekasten 1.10 mit dem integrierten Batterieflüssigkühler in den Patentanmeldungen P804481/DE/1, P808485/DE/1 und P808667/DE/1 beschrieben wird und mit der Rücklaufleitung 1.70 zurück ins Ausgleichsbehälter 1.60.
  • In den 1 bis 6 wurde die Vorteilhaftigkeit des kombinierbaren externen Kühlmoduls beschrieben. So kann zum einen der externe Kühler 1.20 mit den Axiallüftern bis zu einer relativ hohen Außentemperatur betrieben werden. Erst wenn die zulässige Zellmanteltemperatur zur Kühlung mit der Außentemperatur nicht mehr ausreicht, wird der externe Kühler 1.20 mit den Axiallüftern außer Betrieb genommen und die externe Kühlkomponente 1.40 mit direkter Anbindung an die Klimaanlage in Betrieb genommen.
  • Die Vorteilhaftigkeit des kombinierbaren externen Kühlermoduls mit den Axiallüftern besteht darin, dass die externen Kühlkomponenten mit der direkten Anbindung an die Klimaanlage nur bei hohen Außentemperaturen über das 3-Wege-Ventil in Betrieb genommen werden. So muss die Klimaanlage nicht ständig betrieben werden und spart dadurch sehr hohe Energie. Da die Klimaanlage etwa zwischen 500 und 1000 Watt betrieben wird, und zum Vergleich zum Kühler mit Axiallüftern werden etwa 15 Watt in Anspruch genommen. So ist das kombinierbare Kühlmodul von erheblichem Vorteil.
  • Die 7 zeigt eine weitere perspektivische Ansicht einer Ausführung eines Batterieaufbaus mit integriertem Flüssigkeitskühler wie in den Patentanmeldungen P804471/DE/1 und P808485/DE/1 und P808667/DE/1 mit 200 Li-lon-Zellen mit einer Leistung von ca. 250 kW und den externen Kühlkomponenten dargestellt für einen Hybrid Bus. Man erkennt den Batteriekasten 8.10 mit integriertem Flüssigkühler und 200 Li-lon Zellen, ein externes Kühlmodul 8.20 mit Axiallüftern 8.30, einen Wärmetauscher/Verdampfer 8.40 mit der direkten Anbindung an die Klimaanlage, eine Wasserpumpe 8.50 und einen Ausgleichsbehälter 8.60. Bei dieser Ausführung in 7 wird von der vorhandenen Klimaanlage über den Rücklauf des Wärmetausches/Verdampfer im Fahrzeug die Vorlaufleitung 7.20 direkt zu dem Wärmetauscher/Verdampfer 8.40 und über den Wärmetauscher/Verdampfer 8.40 die Rücklaufverbindung 7.25 zurück zum Klimakompressor.
  • Auch bei dieser Ausführung kann der externe Kühler mit den Axiallüftern so lange mit der direkten Zuführung der Außenluft betrieben werden, erst wenn die Zellmanteltemperatur überschritten wird, wird über die externe Wärmetauscher/Verdampfer 8.40 vom Wärmetauscher/Verdampfer Fahrzeug über den Rücklauf direkt die Verbindung 7.20 in den externen Kühlmodul 8.40 zugeschaltet.
  • Auch hier ist dieses kombinierbare externe Kühlmodul vorteilhaft, da nur bei extrem hohen Außentemperaturen das externe Kühlmodul 8.40 über den Rücklauf des Wärmetauscher/Verdampfer Fahrzeug zugeschaltet wird.
  • Bei dem in 7 dargestellten Batterieaufbau mit interner Flüssigkühlung für den Bus Hybrid erfolgt der Aufbau vorzugsweise auf dem Dach. Da die vorhandene Bus-Klimaanlage eine sehr hohe Klimaleistung ausgelegt ist, empfiehlt sich für die externe Batteriekühlung ein eigenes Klima-Kühlmodul, da für diese externe Batterie-Kühlanlage eine Leistungsaufnahme von nur ca. 500 W bis 1000 W benötigt wird.
  • So wird gerade für diesen Hybrid-Bus nach 7 ein externes Klimamodul mit einem Klimakompressor, Expansionsventil, einem Wärmetauscher/Verdampfer sowie ein Wärmetauscher mit Lüfter zur externen Batteriekühlung aufgebaut. Klimakompressor wird nur bei bedarf zugeschaltet.

Claims (16)

  1. Kühlvorrichtung zum Kühlen eines elektrochemischen Energiespeichers, insbesondere eine Lithium-Ionen-Batterie oder Nickel-Metallhydrid-Batterie, mit Speicherzellen, die in einem Batteriekasten untergebracht sind, der eine Kühleinrichtung zum Kühlen der Zellen aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Luftwärmetauscher zum Abgeben von Abwärme an die Umgebungsluft, der außerhalb des Batteriekastens angeordnet ist, einen Flüssigkeitskühler zum Abgeben von Abwärme an eine Kühlflüssigkeit und ein 3-Wege-Ventil zum bedarfsweisen Umschalten der Abwärmeabgabe durch den Luftwärmetauscher oder durch den Flüssigkeitskühler umfasst.
  2. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der interne Kreislauf des Luftwärmetauschers zur Anbindung an die zu kühlenden Zellen ein Luftkreislauf ist.
  3. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der interne Kreislauf des Luftwärmetauschers zur Anbindung an die zu kühlenden Zellen ein Flüssigkeitskreislauf ist.
  4. Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftwärmetauscher einen oder mehrere Axiallüfter zum Kühlen mit Luft aufweist.
  5. Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten des Flüssigkeitskühlers außerhalb des Batteriekastens angeordnet sind.
  6. Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftwärmetauscher und die Komponenten des Flüssigkeitskühlers zu einem kombinierten Kühlmodul zusammengefasst sind, das außerhalb des Batteriekasten angeordnet ist.
  7. Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeitskühler zum Anbinden an einen Kühlmittelkreislauf eines Kraftfahrzeugs ausgebildet ist.
  8. Kühlvorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelkreislauf ein Kreislauf zum Kühlen eines Fahrgastinnenraums eines Kraftfahrzeugs ist, der einen Kältemittelkreislauf für ein Kältemittel, einen Kältemittelverdichter, ein Expansionsventil mit zugehörigem Verdampfer zum Kühlen des Innenraums und einen Kondensator umfasst.
  9. Kühlvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelkreislauf ein von dem Kreislauf zum Kühlen eines Fahrgastinnenraums eines Kraftfahrzeugs separater Kreislauf ist, der einen von der Fahrgastinnenraumklimaanlage unabhängigen Wärmetauscher/Verdampfer und ein zugehöriges Expansionsventil umfasst.
  10. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeitskühler zur direkten Anbindung an den Kühlmittelkreislauf ausgebildet ist.
  11. Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Ausgleichsbehälter umfasst.
  12. Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Wasserpumpe umfasst.
  13. Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das 3-Wege-Ventil derart ausgebildet ist, dass die Kühlung der Zellen bei tiefer Zelltemperatur mittels des Luftwärmetauschers und bei hoher Zelltemperatur mittels des Flüssigkeitskühlers erfolgt.
  14. Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das 3-Wege-Ventil derart ausgebildet ist, dass die Kühlung der Zellen bei tiefer Außentemperatur mittels des Luftwärmetauschers und bei hoher Außentemperatur mittels des Flüssigkeitskühlers erfolgt.
  15. Elektrochemischer Energiespeicher, insbesondere eine Lithium-Ionen-Batterie oder Nickel-Metallhydrid-Batterie, insbesondere eine Fahrzeugbatterie, insbesondere eine Batterie für ein Fahrzeug mit Hybridantrieb oder ein Brennstoffzellen-Fahrzeug, insbesondere eine Hochvolt-Batterie, mit Speicherzellen, die in einem Batteriekasten untergebracht sind, der eine Kühlvorrichtung zum Kühlen der Zellen aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.
  16. Kraftfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14 oder einen elektrochemischen Energiespeicher nach dem vorhergehenden Anspruch aufweist.
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