DE102013017396A1

DE102013017396A1 - Batterievorrichtung mit verdampfender Kühlflüssigkeit

Info

Publication number: DE102013017396A1
Application number: DE201310017396
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dürr; Norbert Wiesheu
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2013-10-18
Filing date: 2013-10-18
Publication date: 2015-04-23

Abstract

Eine Batterievorrichtung für ein Kraftfahrzeug soll zuverlässig temperiert werden können. Daher wird eine Batterievorrichtung mit einem Gehäuse (1), mindestens einer Batteriezelle (2), die in dem Gehäuse (1) angeordnet ist, und einer Temperiereinrichtung, mit der die mindestens eine Batteriezelle (2) in dem Gehäuse (1) in einem vorgegebenen Temperaturbereich temperierbar ist, bereitgestellt. Die Temperiereinrichtung weist eine Flüssigkeit (3) auf, die die mindestens eine Batteriezelle (2) direkt umspült, und der vorgegebene Temperaturbereich umfasst den Siedepunkt der Flüssigkeit (3). Somit wird Verdunstungskühlung möglich.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterievorrichtung für ein Kraftfahrzeug, die ein Gehäuse, mindestens eine Batteriezelle, welche in dem Gehäuse angeordnet ist, und eine Temperiereinrichtung, mit der die mindestens eine Batteriezelle in dem Gehäuse in einem vorgegebenen Temperaturbereich temperierbar ist, aufweist.
Hochvoltbatterien für Fahrzeuganwendungen werden aufgrund der vorhandenen KFZ-Technik meist mittels eines Wasser/Glykol-Gemisches in einem flüssigen Kühlkreislauf temperiert. Ein solcher Kühlkreislauf ist meist geschlossen.
Nach internem Stand der Technik ist außerdem eine Hochvolt-Batteriekühlung mittels Sumpfkühlung und Peltierelement bekannt. Dabei werden Zellen der Batterie von einem Isolieröl umströmt, das für eine homogene Wärmeabfuhr sorgt und mittels eines Kühlkreislaufs die überflüssige Wärme abführt. Charakteristisch für dieses Kühlkonzept ist der Wärmetransport über einen flüssigen Wärmeträger, der ohne Phasenwechsel (Verdunstung etc.) die Energie abführt. Das heißt, die Temperatur des Wärmeträgers ist direkt gekoppelt mit der eingebrachten Abwärme.
Darüber hinaus bietet die Firma 3M Kühlkonzepte und Kühlmittel an, die mittels Verdunstungskühlung Wärme abführen. Das Prinzip wird aktuell bei flüssigen Serverkühlungen vorgeschlagen. Die diesbezüglichen Wärmeträger sind für verschiedene Siedepunkte eingestellt, z. B. für 34°C, 61°C oder dergleichen. Außerdem sind die Wärmeträger elektrisch isolierend. Die elektronischen Bauteile stehen im flüssigen Wärmeträger und werden von diesem umspült. Durch die Verdunstung des Wärmeträgers wird Verdampfungswärme (ca. 100 kJ/kg) abgeführt und die Kühlmitteltemperatur konstant gehalten. Um das verdampfte Kühlmittel zurückzuführen, wird die dampfförmige Phase an einem Kondensor wieder rückverflüssigt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine möglichst homogene Temperaturverteilung der Zellen einer Fahrzeugbatterie im Betrieb zu erreichen, und diese gleichzeitig effizient auf einem gewünschten Temperaturniveau zu halten.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Batterievorrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen definiert.
Erfindungsgemäß wird demnach bereitgestellt eine Batterievorrichtung für ein Kraftfahrzeug, aufweisend:

– ein Gehäuse,
– mindestens eine Batteriezelle, die in dem Gehäuse angeordnet ist, und
– eine Temperiereinrichtung, mit der die mindestens eine Batteriezelle in dem Gehäuse in einem vorgegebenen Temperaturbereich temperierbar ist, wobei
– die Temperiereinrichtung eine Flüssigkeit aufweist, die die mindestens eine Batteriezelle direkt umspült, und
– der vorgegebene Temperaturbereich den Siedepunkt der Flüssigkeit umfasst.

In vorteilhafter Weise wird also die mindestens eine Batteriezelle der Batterievorrichtung für ein Fahrzeug von einer Flüssigkeit umspült und dadurch temperiert. Die Flüssigkeit hat einen verhältnismäßig niedrigen Siedepunkt, der durch die mindestens eine Batteriezelle während des Betriebs überschritten wird. Die dabei entstehende Wärme wird von der Flüssigkeit aufgenommen, welche sich dabei auf ihren Siedepunkt erwärmt. Dabei verdunstet die Flüssigkeit und es findet ein entsprechender Phasenwechsel statt. Die Verdunstungskälte hält die Temperatur der Flüssigkeit auf oder unter dem Siedepunkt.
Gegebenenfalls ist ein Kondensor zum Rückverflüssigen verdampfter Teile der Flüssigkeit vorgesehen. Darüber hinaus kann das Gehäuse der Batterievorrichtung geschlossen sein, und an ihm ist ein Überdruckventil angeschlossen. Vorzugsweise liegt der Siedepunkt der Flüssigkeit zwischen 30°C und 60°C. Außerdem sollte die Flüssigkeit elektrisch isolierend sein. Zudem kann eine Messeinrichtung in oder an dem Gehäuse zum Messen von Druck und/oder Temperatur und eine Steuereinrichtung zum Abschalten der Batterie, falls der gemessene Druck und/oder die gemessene Temperatur jeweils einen vorgegebenen jeweiligen Schwellwert übersteigt, aufweisen.
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert, die schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen Fahrzeugbatterie mit Verdunstungskühlung zeigt.
Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
In der Figur ist eine erfindungsgemäße Batterievorrichtung beispielhaft dargestellt. Sie besitzt ein Gehäuse 1, in das mindestens eine Batteriezelle 2, hier vier Batteriezellen, integriert sind. Die Anzahl der Zellen kann je nach Bedarf variiert werden.
Vorzugsweise handelt es sich bei der Batterievorrichtung um eine HV-Batterie, d. h. eine Hochvoltbatterie für ein Kraftfahrzeug. Sie kann als einzige Energiequelle in einem Kraftfahrzeug eingesetzt sein, oder aber auch in Hybridfahrzeugen, die einen zusätzlichen Verbrennungsmotor aufweisen.
Üblicherweise wird eine solche HV-Batterie über einen Umrichter an eine elektrische Maschine, insbesondere einen Elektromotor, angeschlossen. Diese elektrischen Komponenten sind jedoch in der Figur nicht dargestellt.
Die Batteriezellen 2 sind von einer Flüssigkeit 3 umspült, welche die Batteriezellen 2 temperiert. Das Umspülen bedeutet, dass jede Zelle unmittelbar von der Flüssigkeit 3 umgeben ist. Dies bedeutet, dass ein Großteil der Oberfläche jeder Batteriezelle 2 von der Flüssigkeit 3 umspült wird, so dass eine entsprechend große Oberfläche von jeder Batteriezelle 2 zur Verfügung steht, an der Wärmeaustausch zwischen ihr und der Flüssigkeit 3 stattfinden kann. Vorzugsweise findet eine Umspülung der Batteriezellen 2 nur an denjenigen Stellen nicht statt, an denen die jeweilige Zelle an dem Gehäuse 1 befestigt ist.
In dem Beispiel der Figur steht der Pegel der Flüssigkeit über allen Batteriezellen 2. Dies ist zwar vorteilhaft, muss aber nicht zwangsläufig der Fall sein. Beispielsweise kann es auch genügen, dass der Kopf der Batteriezellen 2 aus der Flüssigkeit 3 ragt. Wesentlich ist lediglich, dass das Gehäuse 1 nicht vollständig mit der Flüssigkeit 3 gefüllt ist. Vielmehr verbleibt im oberen Teil des Gehäuses 1 ein Raum 4, der Luft, Dampf der Flüssigkeit 3 oder ein Gemisch davon enthält. Dadurch ist es möglich, dass innerhalb des Gehäuses 1 ein Teil der Flüssigkeit 3 in eine gasförmige Phase wechseln kann, insbesondere dann, wenn die Flüssigkeit 3 siedet. Der Siedepunkt der Flüssigkeit 3 kann durch die Wahl der Flüssigkeit eingestellt werden, insbesondere beispielsweise auf die eingangs erwähnten 34°C, 61°C oder dergleichen.
In dem Beispiel der Figur befindet sich innerhalb des Gehäuses 1 ein Kondensor 5 und zwar in dem flüssigkeitsfreien Raum 4. Der Kondensor 5 sorgt dafür, dass verdampfte Flüssigkeit aus dem Raum 4 wieder kondensiert. Dazu wird der Kondensor 5 beispielsweise über Kühlleitungen 6 an eine Klimaanlage angeschlossen. Das Kühlmittel der Klimaanlage kühlt Wirkflächen des Kondensors 5 herab, so dass an ihnen die verdampfte Flüssigkeit kondensiert.
An das Gehäuse 1 der Batterievorrichtung kann ferner, wie in dem Beispiel der Figur dargestellt ist, ein Überdruckventil 7 angeschlossen sein. Ein solches Überdruckventil 7 gewährleistet, dass innerhalb des Gehäuses 1 ein vorgegebener Maximaldruck nicht überschritten wird. Insbesondere kann nämlich der Druck in dem Gehäuse 1 bei starker Erwärmung der Batteriezellen 2 stark ansteigen, so dass es notwendig sein kann, Druck über das Überdruckventil 7 abzulassen.
Die erfindungsgemäße Wirkungsweise besteht also darin, dass die Batteriezellen 2 mittels einer Verdunstungskühlung gekühlt bzw. temperiert werden. Je nach gewähltem Wärmeträger kann eine konstante maximale Temperatur (z. B. 34°C) der Zellen 2 eingestellt werden. Durch die Verdunstung/Verdunstungsrate des Wärmeträgers (d. h. der Flüssigkeit 3) wird die Abwärme abgeführt. Die Zellen 2 sind dabei im geschlossenen Batteriegehäuse 1 so eingebaut, dass sie von der Flüssigkeit umspült werden können. Somit ist jede einzelne Zelle 2 auf der gleichen Temperatur, die das flüssige Medium ausgleicht. Temperaturgradienten, wie sie in herkömmlichen Zellblöcken zu beobachten sind, können hier nicht auftreten.
Die erfindungsgemäße Batterievorrichtung muss gewisse Sicherheitsstandards einhalten. Da die Zellen in einer elektrisch isolierenden Flüssigkeit 3 stehen, kann bei einem elektrischen Kurzschluss kein Luftsauerstoff nachströmen. Durch die Wärmekapazität der Flüssigkeit bzw. durch die Verdunstung wird eine exotherme Energieabgabe kompensiert.
Im Falle, dass die Kühlung bzw. Kondensation über den Klimakreislauf nicht oder nicht ausreichend funktioniert, ist das oben beschriebene Überdruckventil 7 vorgesehen. Außerdem kann es aus Sicherheitsgründen notwendig sein, mittels einer oder mehreren Messeinrichtungen eine Temperaturmessung und/oder eine Druckmessung durchzuführen. Durch die entsprechende Druckmessung bzw. Temperaturmessung kann eine Sicherheitsabschaltung der Batterie aufgebaut werden.
Im Betrieb dient die Flüssigkeit 3 als Wärmespeicher. Die Einzelzelle 2 gibt die Energie an die Flüssigkeit 3 ab, oder die Flüssigkeit hält die Einzelzellen 2 warm. Gegebenenfalls könnte auch die Flüssigkeit 3 beheizt werden, um die Zellen 2 zu erwärmen. Dies kann notwendig sein, wenn die Zellen nach dem Parken des Kraftfahrzeugs ausgekühlt sind.
Die Betriebstemperatur der Batterie wird durch den Siedepunkt des Wärmeträgers, d. h. der Flüssigkeit 3, bestimmt. Die Wärmekapazität der Komponenten und des Wärmeträgers bilden einen Wärmespeicher/-puffer.
Wenn die Verdunstungskühlung wie oben geschildert funktioniert, können die ebenfalls erwähnten Vorteile in die Batteriekonstruktion einfließen und somit den Batterieaufbau wesentlich vereinfachen, sicherer machen und die Lebensdauer der Batterie wesentlich erhöhen.
Bezugszeichenliste

1: Gehäuse
2: Batteriezellen
3: Flüssigkeit
4: Raum
5: Kondensor
6: Kühlleitung
7: Überdruckventil

Claims

Batterievorrichtung für ein Kraftfahrzeug, aufweisend: – ein Gehäuse (1), – mindestens eine Batteriezelle (2), die in dem Gehäuse angeordnet ist, und – eine Temperiereinrichtung, mit der die mindestens eine Batteriezelle (2) in dem Gehäuse (1) in einem vorgegebenen Temperaturbereich temperierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass – die Temperiereinrichtung eine Flüssigkeit (3) aufweist, die die mindestens eine Batteriezelle (2) direkt umspült, und – der vorgegebene Temperaturbereich den Siedepunkt der Flüssigkeit (3) umfasst.
Batterievorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Kondensor (5) zum Rückverflüssigen verdampfter Teile der Flüssigkeit (3).
Batterievorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1) geschlossen ist, und an ihm ein Überdruckventil (7) angeschlossen ist.
Batterievorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Siedepunkt zwischen 30°C und 60°C liegt.
Batterievorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit (3) elektrisch isolierend ist.
Batterievorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Messeinrichtung in oder an dem Gehäuse zum Messen von Druck und/oder Temperatur, und einer Steuereinrichtung zum Abschalten der Batterievorrichtung, falls der gemessene Druck und/oder die gemessene Temperatur jeweils einen vorgegebenen jeweiligen Schwellwert übersteigt.