DE4441162A1 - Kühleinrichtung für eine aus mehreren Zellen aufgebaute Batterie - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühleinrichtung für eine aus mehre­ ren Zellen aufgebaute Batterie gemäß dem Oberbegriff des Patent­ anspruchs 1.

Ein besonderes Anwendungsgebiet der Erfindung betrifft die Küh­ lung von Traktionsbatterien aller Art für Elektrofahrzeuge. Diese Hochleistungs-Batterien benötigen eine wirksame Kühlung, um die bei großen Strömen auftretende Verlustwärme ab führen zu können, da eine zu starke Aufheizung die Batterie zerstören würde. Dies gilt verstärkt für Hochtemperaturbatterien, wie bei­ spielsweise Natrium(Na)/Schwefel (S)-Batterien oder Na­ trium(Na)/Nickelchlorid(NiCl₂) -Batterien (ZEBRA), die vorzugs­ weise bei Temperaturen von 270°C bis 350°C betrieben werden müs­ sen. Um die Batterien in diesem Betriebstemperaturbereich halten zu können, müssen sie neben einer Heizung auch eine gute thermi­ sche Isolation aufweisen. Je besser die Isolation, um so gerin­ ger sind die Wärmeverluste und um so besser ist der Energie-Wir­ kungsgrad der aus dem Netz entnommenen Energie, da die Batterie weniger beheizt werden braucht. Eine gute Isolation ist daher vorrangig anzustreben. Sie bringt aber andererseits den Nachteil mit sich, daß die im Betrieb innerhalb der Batterie entstehende Verlustwärme nicht abfließen und so die Temperatur der Batterie über den zulässigen Wert hinaus ansteigen kann. Deshalb bedürfen thermisch isolierte Batterien in besonderem Maße einer wirksamen Kühleinrichtung.

Aus der DE 26 38 862 A1 ist eine gattungsgemäße Kühleinrichtung zur Kühlung einer aus mehreren Zellen aufgebauten Batterie be­ kannt. Innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses sind die Zellen der­ art angeordnet, daß sich zwischen den Wänden des Gehäuses und den Zellen einerseits sowie zwischen den Wänden benachbarter Zellen andererseits Kanäle ergeben, durch die ein Kühlmittel hindurchgeleitet werden kann. Das Kühlmittel, z. B. eine Kühl­ flüssigkeit, wird über eine Zuleitung dem Batterieblock zuge­ führt und zur Ableitung der Wärme über eine Sammelleitung wieder abgeführt. Das erwärmte Kühlmittel wird in einem Wärmetauscher abgekühlt, der ausgangsseitig über die Zuleitung das abgekühlte Kühlmittel dem Batterieblock wieder zuführt. Zum Antrieb des Kühlmittelkreislaufes ist an geeigneter Stelle eine Pumpe einge­ fügt.

Alle bisher untersuchten Kühleinrichtungen mit Luft oder einer Flüssigkeit als Kühlmittel zeigen keine zufriedenstellenden Er­ gebnisse. Die dargestellten Lösungen erbringen entweder nicht die benötigte Kühlleistung oder gehen einher mit einer ungleich­ mäßigen Temperaturverteilung innerhalb der Batterie oder auch innerhalb der einzelnen Zellen entlang ihrer Hochrichtung. Dar­ aus resultiert, daß einige Zellen oder Zellbereiche am oberen Rand, und andere am unteren Rand des zulässigen Temperaturfen­ sters betrieben werden. Dies beeinflußt den inneren Widerstand der Batterie und setzt die Lebensdauer und ihre Leistungsfähig­ keit nachhaltig herab. Darüberhinaus muß aufgrund der unzurei­ chenden Kühlleistung präventiv sehr früh mit der Kühlung begon­ nen werden, um bei starker, länger andauernder Leistungsbean­ spruchung einen unzulässigen Temperaturanstieg zu vermeiden. Dies beinhaltet andererseits unnötige Energieverluste, wenn auf­ grund einer nur geringen Leistungsbeanspruchung die kritische Temperatur (obere Temperaturgrenze) gar nicht erreicht und somit zu früh mit der Kühlung begonnen worden wäre.

Aufgabe der Erfindung ist es eine gattungsgemäße Kühleinrichtung bereitzustellen, die eine effektive und gleichmäßige Kühlung der Batterie ermöglicht.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Kühleinrichtung er­ findungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, wobei die Merkmale der Unteransprüche vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen kennzeichnen.

Mit der Wahl einer Kühlflüssigkeit, deren Siedetemperatur inner­ halb des zulässigen Betriebstemperaturbereiches der Batterie, z. B. in der Nähe der höchst zulässigen Betriebstemperatur liegt, wird eine Kühlung realisiert, die vor allem auf Verdampfungsküh­ lung basiert und einige Vorteile aufweist.

Ein erster Vorteil ist, daß eine punktuelle am Ort der Erwärmung einsetzende Kühlwirkung erreicht wird, indem lokal, dort wo die lokale Temperatur an der Zellenoberfläche den Siedepunkt der Kühlflüssigkeit erreicht, eine Verdampfung von Kühlflüssigkeit eintritt. Die dampfförmige Phase steigt als Bläschen in der Kühlflüssigkeit auf, wodurch die Wärme rasch abgeführt wird. Es wird also lokal immer nur dort gekühlt, wo ein entsprechender Kühlbedarf besteht.

Eine Verdampfungskühlung hat den weiteren Vorteil, daß mit der Änderung des Aggregatzustandes bei der Aufnahme der Wärme durch die Kühlflüssigkeit und Dampfblasenbildung eine vergleichsweise große Wärmeaufnahme einhergeht. Da die abzuführende Wärmemenge weitgehend als Verdämpfungswärme aufgenommen wird, wird sie ohne Temperaturerhöhung der Kühlflüssigkeit aufgenommen. Dies trägt zu einer sehr gleichmäßigen Temperaturverteilung innerhalb der gesamten Batterie bei.

Insgesamt wird mit der erfindungsgemäßen Lösung erreicht, daß auf sehr einfache aber wirksame Weise die Temperatur im Inneren der Batterie auf eine maximale, durch die Siedetemperatur fest­ gelegte Betriebstemperatur begrenzt wird.

Bei herkömmlichen Kühleinrichtungen wird die Wärme allein durch Weiterleitung des erwärmten Kühlmittels (Konvektion) abgeführt, so daß die Kühlleistung vom gesamten Durchsatz des Kühlmittels und damit von der Leistung einer den Kühlmittelkreislauf antrei­ benden Umwälzpumpe abhängt. Demgegenüber bietet die erfindungs­ gemäße Kühleinrichtung den weiteren Vorteil, daß bei entspre­ chender Auslegung keine Umwälzpumpe benötigt wird. Der Kühl­ kreislauf wird allein durch die überschüssige Verlustwärme in Gang gesetzt und aufrecht erhalten, welche ansonsten die Batte­ rie über den Siedepunkt der Kühlflüssigkeit hinaus aufheizen würde.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausfüh­ rungsbeispiels entsprechend der Zeichnung dargestellt und näher beschrieben.

Die einzige Figur zeigt die erfindungsgemäße Kühleinrichtung für eine Batterie 1 die aus mehreren innerhalb eines Batteriekastens 2 angeordneten Zellen 3 aufgebaut ist. Für den Fall einer Hoch­ temperaturbatterie weist der Batteriekasten 2 eine Wärmeisolati­ on auf, die ebenso wie eine dann ebenfalls benötigte Heizein­ richtung in der Zeichnung nicht dargestellt ist. Der Batterieka­ sten 2 ist nach außen hermetisch abgeschlossen, wobei die Kühl­ flüssigkeit 4.1 den Batteriekasten 2 nur bis zu einem bestimmten Pegelstand 4 anfüllt. Oberhalb dieses Pegelstandes 4 ist der Batteriekasten 2 mit Luft oder Kühlflüssigkeitsdampf 4.2 aufge­ füllt. Der Pegelstand 4 ist so gewählt, daß die Zellen 3 weitge­ hend in die Kühlflüssigkeit 4.1 eingetaucht sind, um deren gleichmäßige Kühlung sicherzustellen. Die Zellen 3 sind derart angeordnet, daß sich zwischen den Wänden des Batteriekastens 2 und den Zellen 3 einerseits sowie zwischen den Wänden benachbar­ ter Zellen 3 andererseits Kanäle 5 ergeben, die ein ungehinder­ tes Zirkulieren der Kühlflüssigkeit 4.1 ermöglichen. Aus glei­ chem Grund stehen die Zellen 3 vom Boden des Batteriekastens 2 beabstandet auf einem Aufstandboden 6, der ähnlich einem Rost eine Vielzahl von Durchgangsöffnungen für die Kühlflüssigkeit 4.1 aufweist. In der Figur sind die Zellen 3 durch Polverbinder von Zelle zu Zelle in Reihe geschaltet dargestellt.

Der Batteriekasten 2 weist eine Auslaßöffnung 7 auf, an die eine Sammelleitung 8 angeschlossen ist, durch die der Kühlflüssig­ keitsdampf 4.2 aus dem Batteriekasten 2 entweichen kann. Das an­ dere Ende der Sammelleitung 8 ist mit einem Mittel zur Abkühlung und Rekondensierung, hier ein Kühler 9 verbunden. In diesem wird der Kühlflüssigkeitsdampf 4.2 abgekühlt, der unter Abgabe von Verdampfungswärme in die flüssige Phase und damit zu Kühlflüs­ sigkeit 4.3 rekondensiert. Zur Unterstützung der Kühlleistung des Kühlers 9 kann ein Gebläse 10 vorgesehen sein, das sich be­ darfsweise selbsttätig einschaltet. Die im Kühler 9 rekonden­ sierte Kühlflüssigkeit 4.3 wird über eine Zuleitung 11 und eine Einlaßöffnung 12 in die Batterie 1 rückgespeist. Die Rückspei­ sung erfolgt vorzugsweise über eine Vorkammer 13, welche nur im Bodenbereich mit dem die Zellen 3 aufnehmenden Teil des Batte­ riekastens 2 kommuniziert. Damit ist sichergestellt, daß die re­ kondensierte Kühlflüssigkeit 4.3 immer unterhalb des Pegelstan­ des 4 eingeleitet und der bereits vorhandenen Kühlflüssigkeit 4.1 hinzugefügt wird und nicht mit der dampfförmigen Phase 4.2 wechselwirkt.

Im Falle einer zu kühlenden Hochtemperaturbatterie muß die Sam­ melleitung 8 thermoisoliert ausgeführt sein, damit sich in ihr kein Kühlflüssigkeitsdampf 4.2 niederschlägt und unkontrolliert rekondensiert. Ebenso muß die Zuleitung 11 thermoisoliert sein, damit die rückgeführte Kühlflüssigkeit 4.3 nicht zu sehr ab­ kühlt. Eine zu starke Abkühlung hätte unter Umständen einen un­ erwünschten Temperaturgradienten der Kühlflüssigkeit 4.1 inner­ halb des Batteriekastens 3 zur Folge.

Desweiteren ist oberhalb des Kühlers 9 ein von der Sammelleitung 8 vertikal abzweigendes Druckausgleichsrohr 14 vorgesehen. Die­ ses ist nach oben hin offen und im Gegensatz zur Sammelleitung 8 thermisch nicht isoliert. Durch dieses Druckausgleichsrohr 14 kann bei einsetzender Kühlung die durch den sich bildenden Dampf der Kühlflüssigkeit verdrängte Luft entweichen. Umgekehrt kann durch dieses Rohr, bei wieder aussetzender Kühlung und sich bil­ dendem Unterdruck, Luft in die Kühleinrichtung wieder einströ­ men. Ein Entweichen von Kühlflüssigkeitsdampf 4.2 wird dadurch verhindert, daß sich dieser an den Innenwänden des nicht ther­ moisolierten Druckausgleichrohres 14 niederschlägt und als re­ kondensierte Flüssigkeitstropfen in den Kühler 9 geleitet wird.

Zum Auswechseln der Kühlflüssigkeit 4.1 sind in die Zuleitung 11 in Flußrichtung nacheinander ein absperrbarer Drucklufteinlaß 15, ein Sperrventil 16 und zuletzt ein absperrbarer Flüssig­ keitsauslaß 17 vorgesehen. Im Normalbetrieb sind, wie in der Figur dargestellt, der Drucklufteinlaß 15, der Flüssigkeitsauslaß 17 gesperrt und das Sperrventil 16 geöffnet.

Im folgenden ist die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Kühl­ einrichtung dargestellt: Durch die nicht vollständige Füllung des Batteriekastens 2 mit Kühlflüssigkeit 4.1 ist der Kühlkreis­ lauf, der ja keine Umwälzpumpe aufweist, solange nicht in Funk­ tion, wie nicht Kühlflüssigkeit 4.1 verdampft. Erst wenn lokal an einer Zelle 3 die Siedetemperatur der Kühlflüssigkeit 4.1 überschritten wird, setzt eine Naturumlaufkühlung ein: Mit zu­ nehmender abzuführender Wärme steigt der sich durch die aufstei­ genden Dampfblasen im oberen Bereich des Batteriekastens 2 auf­ bauende Dampfdruck. Durch die dafür vorgesehene Sammelleitung 8 entweicht der Kühlflüssigkeitsdampf 4.2 aus dem Batteriekasten 2 und rekondensiert in dem Kühler 9 unter Abgabe der Verdampfungs­ wärme an die Umgebung. Danach gelangt die rekondensierte Flüs­ sigkeit 4.3 unter dem Einfluß der Schwerkraft über die Vorkämmer 13 wieder in den Batteriekasten 2.

Voraussetzung für die gewünschte Funktion der Naturumlaufkühlung ist, daß der Kühler geodätisch höher liegt, als der Pegelstand 4 im Batteriekasten 2. Andernfalls würde eine Pumpe benötigt wer­ den, um rekondensierte Kühlflüssigkeit in die Batterie zu beför­ dern. Auch müßte in diesem Fall durch geeignete Maßnahmen ein Rückfluß von Kühlflüssigkeit aus der Batterie in den Kühler ver­ hindert werden.

Bei der Auswahl einer geeigneten Kühlflüssigkeit sind neben der Abstimmung der Siedetemperatur auf die höchst zulässige Be­ triebstemperatur der Batterie noch andere Gesichtspunkte zu be­ rücksichtigen. Für eine optimale Kühlwirkung sollte die Kühl­ flüssigkeit eine möglichst hohe Verdampfungswärme und eine gute Wärmespeicherkapazität aufweisen. Weiterhin muß die Kühlflüssig­ keit elektrisch neutral sein und darf sich im gesamten Betrieb­ stemperaturbereich, bei Hochtemperaturbatterien ist dies der Be­ reich von -20°C bis 350°C, auch bei Vorhandensein eines elektri­ schen Feldes chemisch nicht verändern. An der unteren Grenze des Betriebstemperaturbereiches sollte die Kühlflüssigkeit noch flüssig sein. Aus Gründen der Betriebssicherheit und Umweltver­ träglichlichkeit sollte die Kühlflüssigkeit nicht korrosiv, un­ giftig, unbrennbar und wasserunlöslich sein.

Als eine Kühlflüssigkeit, die insbesondere zur Kühlung von Na/NiCl₂-Batterien geeignet ist und den oben genannten Anforde­ rungen genügt, kann die Substanz Dibutylorthophtalat (C₁₆H₂₂O₄) angegeben werden. Dieser Dibutyl-Orthophtal-Säureester ist frei von Fluor und Chlor und als großtechnisch angewandtes Transfor­ matorenkühlmittel bekannt. Der Siedepunkt dieser Flüssigkeit liegt bei 335°C.

Claims (10)

1. Kühleinrichtung für eine aus mehreren Zellen aufgebaute Bat­ terie, bei der die Zellen innerhalb eines gemeinsamen geschlos­ senen Batteriekastens angeordnet sind und von einer Kühlflüssig­ keit umströmt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Siedetem­ peratur der Kühlflüssigkeit (4.1) innerhalb des zulässigen Be­ triebstemperaturbereiches der Zellen (3) liegt.

2. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Batteriekasten (2) nur bis zu einem bestimmten Pegelstand (4) mit der Kühlflüssigkeit (4.1) angefüllt ist und oberhalb des Pegelstandes (4) sich Kühlflüssigkeitsdampf (4.2) sammelt.

3. Kühleinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlflüssigkeitsdampf (4.2) aus dem Batteriekasten (2) auf Mittel zum Abkühlen und Rekondensieren (9) geführt und rekonden­ sierte Kühlflüssigkeit (4.3) in den Batteriekasten (2) rückge­ führt wird.

4. Kühleinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Abkühlen und Rekondensieren (9) eingangsseitig über eine Sammelleitung (8) mit mindestens einer Auslaßöffnung (7) des Batteriekastens (2) und ausgangsseitig über eine Zulei­ tung (11) mit mindestens einer Einlaßöffnung (12) des Batterie­ kastens (2) verbunden sind.

5. Kühleinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Batterie (1) eine Hochtemperaturbatterie ist und der Batte­ riekasten (2), die Sammelleitung (8) und die Zuleitung (11) thermisch isolierend ausgeführt sind.

6. Kühleinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß von der Sammelleitung (8) ein thermisch nicht isoliertes Druck­ ausgleichsrohr (14) abzweigt.

7. Kühleinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der so gebildete Kühlkreislauf keine Umwälzpumpe aufweist.

8. Kühleinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die rekondensierte Kühlflüssigkeit (4.3) über eine Vorkammer (13) der Batterie (1) rückgeführt wird, wobei die Vorkammer (13) im Bodenbereich des Batteriekastens (2) mit dem die Zellen (3) aufnehmenden Teil des Batteriekastens (2) verbunden ist.

9. Kühleinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Abkühlen und Rekondensieren (9) geodätisch höher angeordnet sind, als der Pegelstand (4).

10. Kühleinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlflüssigkeit (4.1) Dibutylorthophtalat (C₁₆H₂₂O₄) einge­ setzt ist.